1. Принцип дії фотоелементів
2. ефективність фотоелементів
3. Формування генеруючої батареї
4. Комплектуючі для сонячної батареї
5. Отримання електроенергії з сонячної батареї

Енергетичний потенціал сонячного світла величезний - оцінити його вплив можна лише тому, що існує буйна життя на планеті, яка призвела до появи розумної людини, активно споживає і переробного енергію. Протягом мільярдів років частина енергії сонця акумулювалася у відкладеннях відмерлих організмів (корисних копалин), які знаходяться у відносно легкодоступною для видобутку і переробки формі.

Але забруднення навколишнього середовища і обмежений запас надр землі змушують людство по новому поглянути на можливості прямого використання енергії сонячного світла.

Для забезпечення поточних потреб людства в енергії було б достатньо заповнити сонячними електростанціями відносно невелику площу в пустелі Сахара. Оскільки електроенергія є найбільш зручним для використання і переробки видом енергії, пряме перетворення світла Сонця в електрику, використовуючи сонячні батареї з фотоелементів.

Червоними квадратами відображена площа, необхідна для розміщення сонячних електростанцій, щоб забезпечити енергетичні потреби Землі, Європи та Німеччини відповідно

Принцип дії фотоелементів

Фотоелементом називають прилад, що перетворює енергію фотонів світла в електроенергію. В даний час активно розробляються перспективні технології створення напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів, що базуються на внутрішньому фотоефекті. При внутрішньому фотоефекті відбувається перерозподіл електронів по їх енергетичним станом в напівпровідниках під впливом випромінювання.

Ілюстрація та опис внутрішнього фотоефекту

Перетворення енергії світла в електроенергію відбувається в неоднорідних напівпровідникових структурах. Неоднорідність структур створюється за допомогою легування, з'єднання, і зміни хімічного складу напівпровідників. Таким чином, виникає градієнт зміни ширини забороненої зони напівпровідника під впливом випромінювання, що призводить до виникнення електрорушійної сили.

Опис застосування фотоефекту

Ефективність фотоелемента залежить наступних факторів:

• фотопровідності напівпровідників;
• розсіювання і відображення проектованого світла;
• проходження частини випромінювання крізь фотоелектричний перетворювач без перетворення;
• рекомбінації утворилися фотоелектронних пар;
• внутрішнього опору фотоелемента;
• інших фізичних і хімічних характеристик.

Основні закони фотоефекту

Радіоаматори знають, що якщо розпиляти діод або транзистор і висвітлити напівпровідниковий перехід, то можна отримати невеликий потенціал на висновках елемента. Даний ефект часто застосовується при створенні саморобних світлочутливих сенсорів або демонстраційних посібників, але для масштабного перетворення світла в енергію даний спосіб невигідний.

Очевидно, що зробити сонячну батарею в домашніх умовах «з нуля" не має можливості через технологічної складності процесу, тому для рядового споживача має сенс власноручне створення генеруючих панелей з готових фотоелементів

Готові фотоелементи для сонячних батарей в захисній транспортній упаковці

ефективність фотоелементів

Ефективна ширина забороненої зони напівпровідникового переходу залежить від довжини хвилі (спектра світіння). Тому в лабораторних і промислових фотоелементах стали застосовуватися каскадні технології, що дозволяють розділяти світло на спектри і окремо опромінювати фотоелектронні перетворювачі, розраховані на вузький діапазон світлових хвиль.

Дані технології мають на увазі використання знань в різних галузях науки з застосуванням складних досліджень в лабораторіях. Для виготовлення фотоелементів застосовуються кремнієві пластини з домішками різних хімічних елементів і сполук. Прибуткові перспективи перетворення енергії Сонця в електроенергію дозволили розвинутися цілої галузі промисловості, по потужності порівнянної з виробництвом радіоелектроніки.

Виробники фотоелементів займаються поліпшенням оптичних і електричних властивостей фотоелементів шляхом просвітлення, створення антивідблисків покриттів, застосуванням многокаскадной структури.

На даний момент середня ефективність промислового перетворення світла в електроенергію (коефіцієнт корисної дії) приблизно 14%, а у кращих зразків приблизно 25%. У лабораторних умовах досягнута ефективність близько 45%.

Формування генеруючої батареї

Принцип роботи сонячних батарей складається в з'єднанні фотоелементів в одну структуру, яка генерує електроенергію, яка акумулюється в акумуляторах, з подальшою переробкою в електрику промислової напруги і частоти.

Фотоелементи, як і інші елементи живлення, при послідовному підключенні дають більшу напругу, а при паралельному з'єднанні збільшується вихідний струм і зменшується сумарне внутрішній опір батареї.

Даний принцип формування сонячної батареї є масштабованим, тобто застосовним як для з'єднань окремих фотоелементів, так і до підключення вже зібраних збірок в одну панель.

Оскільки розміри напівпровідникових переходів вимірюються мікронами, виробники об'єднують фотоелектронні перетворювачі в готових фотоелементах, що мають вихідні характеристики (напруги, сила струму, потужність) і придатні для подальшого об'єднання в батареї.

Перед тим, як зробити сонячну батарею своїми руками, потрібно знати очікувану вихідну потужність, яка розраховується з струму зарядки акумуляторів, які підключені до інверторів для генерації напруги. Таким чином, знаючи максимальний струм зарядки наявних акумуляторів можна розрахувати кількість і площа необхідних фотоелементів для сонячної батареї, враховуючи їх коефіцієнт корисної дії.

Комплектуючі для сонячної батареї

Як видно з малюнка нижче, світовими лідерами у виробництві фотоелементів для сонячних батарей різної потужності є Китай і Німеччина. Тому, в більшості випадків великі виробники сонячних електростанцій і окремі користувачі роблять замовлення через Інтернет, набуваючи китайські фотоелементи для збірки генеруючих панелей.

Динаміка зростання виробництва фотоелементів для перетворення енергії Сонця в електрику

Оскільки пластина фотоелемента є дуже крихкою, необхідна міцна конструкція, яка буде захищати світлочутливий елемент від вигинів і впливу зовнішнього середовища. Дана конструкція повинна забезпечувати:

• надійне електричне з'єднання фотоелементів;
• міцність і незмінність геометричних параметрів збірки;
• захист від механічних пошкоджень;
• захист впливу вологи, опадів, пилу та бруду;
• мале віддзеркалення світла (антиблікове покриття);
• хорошу прозорість захисного скла.

Новітні технології дозволяють робити сонячні батареї гнучкими, що істотно зменшує проблеми при їх монтажі

Виробники пропонують фотоелементи різних розмірів і типів, у яких є свої нюанси складання, монтажу та підключення. Також часто додається плівка покриття антивідблиску, яке майстру доведеться нанести самому на зібрану сонячну батарею. Тому потрібно ретельно вивчити всю доступну документацію на куповані фотоелементи перед тим, як збирати сонячні батареї. На відео нижче показаний огляд найбільш популярних фотоелементів.

Отримання електроенергії з сонячної батареї

Потрібно пам'ятати, вихідний струм і напруга сонячної батареї залежить від щільності світлового потоку і кута падіння сонячних променів. Тому в похмуру погоду, а також вранці і ввечері, вихідна потужність батареї буде в кілька разів нижче, ніж в сонячний полудень.

Оскільки не можна змінювати погодні умови, то можна збільшити сумарну кількість променів, спрямованих на сонячну батарею за допомогою світловідбивачів, зроблених з фольги.

За допомогою саморобних світловідбивачів з фольги можна істотно збільшити ефективність сонячних батарей

Як правило, сонячні панелі встановлюють перпендикулярно гіпотетичної лінії від Сонця, що знаходиться на небосхилі в полудень. Іншими словами, перпендикуляр, встановлений на площу сонячної панелі не повинен відкидати тінь. Даний кут установки буде змінюватися відповідно до зміни пір року - в день літнього сонцестояння Сонце піднімається над горизонтом в найвищій точці.

У більшості випадків сонячні батареї встановлюють стаціонарно і без регулювання, іноді навіть на різні сторони даху будинку, отримуючи ефективну генерацію електроенергії тільки в певні години доби.

Щоб максимально збільшити ефективність сонячної батареї, потрібно встановити пристрій, який буде відслідковувати рух Сонця по небосхилу, направляючи панель перпендикулярно падаючим променям.

Сонячна батарея встановлена ​​на поворотному пристрої, що відстежує рух Сонця протягом світлового дня

Акумулятори для сонячних батарей повинні мати контролер зарядки для дотримання правильних параметрів заряджає струму. Спостерігаючи ток зарядки в найсприятливіший період, засікаючи необхідний час, можна планувати збільшення площі сонячних батарей або установку додаткових акумуляторів.

При найпростішому підключенні сонячних батарей до акумулятора рекомендується між ними послідовно підключити діод, для запобігання розряду зворотним струмом.