Принцип работы и подключение солнечной батареи

Солнце — бесплатный источник энергии, способный обеспечить электричеством целые города. Это один из самых доступных ресурсов, которые можно применять практически везде. О солнечных батареях заговорили еще в прошлом веке, а впервые фотоэффект отрыл А.Г. Столетов 26 февраля 1888 г. Энергию нашей звезды используют промышленно и стационарно: снабжают электричеством целые кварталы, загородные дома, освещают беседки, тем более, что устройство бытовых солнечных батарей довольно простое.

Солнечные батареи в лампочке

Что представляет собой бытовая солнечная батарея?

Чтобы понять, подходит ли гелиостанция для ваших нужд, надо понимать, что такое бытовая солнечная батарея. Само устройство состоит из:

  • солнечных панелей
  • контроллера
  • аккумулятора
  • инвертора

Если устройство предназначено для отопления дома, в комплект будут также включены:

  • бак
  • насос
  • комплект автоматики

Солнечная батарея с лучами солнца

Солнечные панели — прямоугольники 1х2 м либо 1,8х1,9 м. Для обеспечения электричеством частного дома с 4-мя жильцами надо 8 панелей (1х2 м) либо 5 панелей (1,8х1,9 м). Устанавливают модули на крышу с солнечной стороны. Угол наклона крыши 45° с горизонтом. Существуют вращающиеся солнечные модули. Принцип работы солнечной батареи с поворотным механизмом аналогичен стационарной, но панели поворачиваются вслед за солнцем благодаря фоточувствительным датчикам. Стоимость их выше, но КПД достигает 40%.

Конструкция стандартных солнечных батарей следующая. Фотоэлектропреобразователь состоит из 2 слоев n и p типа. n-слой изготавливают на основе кремния и фосфора, что приводит к избытку электронов. p-слой делают из кремния и бора, в результате чего образуется избыток положительных зарядов («дыр»). Слои помещают между электродов в таком порядке:

  • покрытие против бликов
  • катод (электрод с отрицательным зарядом)
  • n-слой
  • тонкий разделительный слой, препятствующий свободному переходу заряженных частиц между слоями
  • p-слой
  • анод (электрод с положительным зарядом)

Фотоэлектрические модули производят с поликристаллической и монокристаллической структурами. Первые отличаются большим КПД и высокой стоимостью. Вторые – дешевле, но менее эффективны. Мощности поликристаллических достаточно для освещения/отопления дома. Монокристаллические используются для генерации малых порций электричества (в качестве резервного источника энергии). Существуют гибкие солнечные батареи на основе аморфного кремния. Технология находится в процессе модернизации, т.к. КПД аморфной батареи не превышает 5%.

Принцип работы солнечных батарей

Принцип работы солнечных батарей следующий. Поток света падают на слой полупроводника, выбивая из него электроны. Снабженные дополнительной энергией электроны, проскакивают через разделительный слой, попадая в p-слой; дырки перескакивают в n-слой. Это приводит к образованию разности потенциалов т.е. постоянному напряжению. Если к такому модулю подключить нагрузку, по цепи пойдет постоянный электрический ток напряжением 12 В или 24 В.

Важно! Постоянный ток годится лишь для питания светодиодов. Если нагрузка — электрические приборы перед ней включают инвертер — устройство для преобразования постоянного тока в 12 В или 24 В в переменный напряжением 220В.

Напряжение, образующееся на фотоэлектрическом элементе, подается на контроллер. Его назначение – распределение энергии, полученной от солнечных панелей. В зависимости от потребления, контроллер направляет поток заряженных частиц на нагрузку либо в аккумуляторы. Различают контроллеры:

  • On\Off – блокирует поступление тока в аккумулятор при достижении 100% заряда, устаревшая модель
  • ШИМ – заряжает аккумуляторы на 100%, автоматически переключая режимы заряда, потери энергии до 40%
  • MPPT – смарт устройство, распределяющее напряжение между потребителем и аккумулятором путем сравнения напряжений в каждый из моментов времени до полной зарядки АКБ; имеет максимальное КПД

Солнечные батареи в больших объемах

Принцип работы подключения: с контроллера часть энергии поступает в аккумулятор. Другая часть напряжения идет напрямую на инвертер, далее потребителю. С аккумулятора ток проходит через инвертер, далее подается потребителю. Аккумулятор и инвертер заземляют. Кратко, соединение солнечных батарей таково:

  • солнечная панель
  • контроллер
  • аккумулятор
  • инвертер
  • резервируемая нагрузка (холодильник, водяной насос, отопительная система, камеры видеонаблюдения, аварийные осветительные приборы)
  • не резервируемая нагрузка (прочие электроприборы и освещение, не влияющие на жизнеобеспечение)

Возможна схема подключения солнечных батарей без аккумулятора. В этом случае, ток от фотоэлектрических панелей добавляется в сеть переменного тока от магистрального подключения. В первую очередь расходуется электричество от солнечной батареи, но при отключении магистрального тока, использование солнечной установки не возможно.

Схема подключения солнечных батарей

Существует 2 способа, как можно подключить солнечную панель: параллельный и последовательный. При параллельном соединении, положительную клемму одного модуля соединяют с положительной клеммой другого, отрицательную – с отрицательной. Так соединяют необходимое количество элементов. Последний проводами соединяют с контроллером. Параллельное соединение дает напряжение в 220 В, но увеличивает выходную мощность.

Рассмотрим, как подключить солнечную батарею, если необходимо снять большее напряжение (например, 24 В). Для этого используется последовательное соединение солнечных модулей. В этом случае панели между собой соединяют так: положительную клемму первого модуля подключают к отрицательной клемме второго модуля. Такое подключение допускает любое количество элементов. Оставшиеся свободные провода выводят на контроллер. Как и при параллельном способе, последовательно подключать элементы не сложно.

Существует иной способ, подключения солнечной батареи. Последовательно-параллельный метод — комбинация из последовательно соединенных параллельным соединением групп элементов. Принцип работы данной схемы подключения аналогичен прочим, но позволяет одновременно регулировать выходную мощность и выходное напряжение.

Параллельная и последовательная схема подключения солнечных батарей

Подключая солнечные батареи, необходимо купить подходящий аккумулятор. Если их несколько, устройства объединяют в цепи:

  • параллельно, что сохраняет величину напряжения и увеличит емкость
  • последовательно, что не дает увеличение емкости, но напряжение системы будет складываться из напряжения всех аккумуляторов
  • последовательно-параллельно — параллельное включение аккумуляторов внутри групп с дальнейшим последовательным подключением этих групп; данная схема увеличивает емкость (она равна суммарной емкости параллельно подключенных аккумуляторов) и напряжение (суммарное напряжение складывается из напряжений всех подключенных последовательно групп)

Аккумуляторы для гелиостанций должны отвечать ряду требований:

  1. простота эксплуатации
  2. широкий диапазон рабочих температур
  3. способность переносить большое количество разрядов/зарядов
  4. должны быть адаптированы для заряда током большой мощности
  5. низкий уровень саморазряда
  6. большая емкость (минимальная емкость должна быть равна количеству заряда, достаточному для поддержания резервируемых нагрузок в течение 4 часов+35% от этой емкости)

В зависимости от устройства аккумуляторы подразделяются на:

  • АСБ (автомобильные) применяются в основном для маломощного уличного освещения, выделяют вредные вещества (устанавливаются только в обособленных от жилья, хорошо вентилируемых помещениях) и быстро выходят из строя
  • литий-железо-фосфатные – энергоемкие, но дорогие; плохо переносят перегрев; в гелиосистемах применяются редко
  • свинцово-кислотные с жидким электролитом – долговечны, надежны, дорогие; подходят для мощных систем
  • свинцово-кислотные AGM (вместо жидкого электролита, стекловолокно пропитанное электролитом) – долговечнее обычных кислотных, заряжаются малыми токами, чувствительны к избыточному заряду, требует наличие смарт-контроллера
  • свинцово-кислотные GEL (серная кислота находится в связном состоянии благодаря оксиду кремния) – аналогичны AGM
  • щелочные – выдерживают глубокий заряд большими токами, но систематически теряют емкость.

Гелиосистемы не имеют повсеместного распространения, из-за высокой цены. Но ученые ведут разработки, направленные на удешевление конструкций и широкое внедрение станций, принцип работы которых основан на использовании энергии солнца. Принцип действия солнечных батарей позволяет применять их в качестве основного или дополнительного источника энергии практически в любой точке планеты.