Солнечные батареи считаются эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. Ежегодно на 1 м2 поверхности земли падает 1000 кВт энергии. Если сравнить с другими видами топлива, то это 100 м³ газа или 100 литров солярки.
Солнечная батарея – эта система полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию световых лучей в постоянный электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.
Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов.
Рассмотрим подробнее из чего сделана солнечная батарея и каков принцип её действия:
- Материал-полупроводник (состоит из двух слоёв кремния, которые отличаются между собой строением кристаллов, с включением иных химических соединений для создания принципа фотоэффекта p-n перехода с электронно-дырочными парами, то есть, один материал имеет недостаток электронов, а другой – их избыток);
Выделяют три вида фотоэлементов:
- поликристаллические;
- монокристаллические;
- аморфные.
Поликристаллические фотоэлементы образуются при медленном охлаждении кремниевого расплава в специальной призматической форме. Полученные призматические заготовки нарезаются на квадратные или прямоугольные пластины. Их внешняя поверхность неоднородная, тёмного (иногда – почти чёрного) оттенка. За счёт этого ячейки неравномерно поглощают солнечный свет. С одной стороны, это приводит к значительным потерям отраженной энергии, но с другой снижает их зависимость от движения Солнца по небосводу. Поликристаллические элементы характеризуются эффективностью в диапазоне 14-18 %. Они является более дешёвыми, но менее эффективными.
Монокристаллические фотоэлементы выращивают искусственно из цельного кристалла кремния в заготовках цилиндрической формы, которые после дальнейшей обработки нарезаются на «псевдоквадратные» пластины (форма квадрата со срезанными углами и однородной поверхностью). Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 кВт нужна меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей. Монокристаллические фотоэлементы характеризуются эффективностью в диапазоне 18-22 %. Имеют характерный тёмный цвет.
Аморфные фотоэлементы представляют собой тончайшие слои кремния, полученные путём вакуумного напыления на стекло, пластик или фольгу из высококачественного металла. Эффективность таких элементов составляет 6-10 %, цена ниже остальных вариантов. Обычно имеют блекло-сероватый цвет, видимые кристаллы кремния отсутствуют.
Принцип работы солнечной батареи
Солнечный свет в виде фотонов света попадает на поверхность солнечной батареи. При столкновении с поверхностью полупроводника фотоны передают энергию электронам полупроводника. Вследствие удара электроны вылетают из полупроводника и преодолевают защитный слой (имеют дополнительную энергию). В результате отрицательные электроны переходят в проводник n из p-проводника, а положительные – в обратную сторону. Подобный переход возможен благодаря электрическому полю, которое возникает на данный момент в проводниках. Они увеличивают разность и силу зарядов. Если батарея, освещённая солнцем, замкнута на определённую нагрузку с сопротивлением (R), то наблюдается появление электрического тока (I). Его величина определяется сопротивлением нагрузки, интенсивностью освещения и качеством фотоэлектрического преобразователя. Мощность (P), выделяемая в нагрузке определяется формулой:
P = I×U,
где U - напряжение на зажимах батареи.
При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на преобразование электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности солнечной панели поднимается до 50–55 0С. Чем выше температура, тем менее эффективно работает фотоэлемент.
Угол падения лучей солнца на фотопанель должен быть прямой. Однако при отклонении в пределах 300 от перпендикуляра эффективность панели падает всего на 5 %. Но при дальнейшем увеличении этого угла большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым коэффициент полезного действия (КПД) фотоэлектрических преобразователей.
Существует ряд правил, как нужно ориентировать солнечные панели для большей эффективности. Чтобы солнечные панели выдавала максимум энергии летом, необходимо сориентировать их перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое они занимает в дни равноденствия весной и осенью. Для московского региона – это приблизительно 40–450 к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.
Примерное энергопотребление за месяц – 200 кВТ/ч; в день – 6,6 квт/ч.
Необходимо 28 солнечных панелей по 6 кВт (327,6 тыс.руб.) и 4 АКБ (190 А) (37,2 тыс.руб.), а так же инвертор фирмы МАП SIN «энергия PRO» 48в 6 кВт (72 тыс.руб.) + расходы на доп. оборудование 15 % Получается мы затратим: 496,570 тыс.руб. При работе будет вырабатываться 6,6 кВт/ч за день, 198 кВт/ч за месяц. 1 кВт стоит 3,43 руб., то есть за месяц мы экономим на электроэнергии 679,14 руб. Окупаемость оборудования произойдет за 731 месяц, или 60 лет.
К преимуществам солнечных батарей можно отнести:
- экологически чистая энергия;
- неисчерпаемость и постоянство солнечной энергии;
- минимум обслуживания;
- длительный срок службы;
- доступность;
- экономичность;
- большая область применения.
К недостаткам солнечных батарей можно отнести:
- высокая цена панелей;
- нерегулярность из-за погодных условий;
- высокая цена аккумуляторных батарей для аккумулирования энергии;
- для большей мощности необходимо устанавливать большие площади солнечных панелей.
Пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов (фотоны сквозь «грязную» фотопанель не доходят). Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождём самостоятельно. Также надо устанавливать фотопанели так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград. Принцип работы солнечных батарей сложный. Да и сами солнечные батареи и их монтаж стоят дорого.