Как работают солнечные батареи

Популярным способом получения альтернативной энергии является установка и эксплуатация солнечных станций. Системы состоят из солнечных батарей, преобразователей, аккумуляторов и некоторых других элементов. Главная задача такого комплекта получить солнечную энергию, трансформировать ее в электрический ток, накопить электричество и при необходимости отдать его на точку забора – розетку, выключатель.

И хоть все составляющие системы крайне важны, большинству потребителей, которые хорошо помнят уроки физики из школьной программы, понятно, как каждый элемент работает. А как работает солнечная батарея? Этот вопрос интересует многих потребителей, кто намерен установить панели на крышу или на специальные столы наземным способом. Во всей системе, наверное, именно это конструктивное звено остается менее понятным для большинства пользователей.

Чтобы прояснить этот момент, эксперты «GREEN SYSTEM» решили рассказать простыми словами, как работают солнечные батареи.

Если после прочтения статьи у вас останутся вопросы, специалисты компании готовы ответить на них в телефонном режиме или при личной встрече в нашем офисе. Приглашаем к сотрудничеству частных лиц, фермерские хозяйства, коммерческие организации и предприятия промышленности. Мы проектируем, устанавливаем и обслуживаем солнечные станции нужной мощности с учетом потребностей и возможностей конкретного объекта. Ну а теперь перейдем к ответу на вопрос: «Как работает солнечная батарея?».

Комплектация

Основными компонентами батареи являются солнечные панели, состоящие из кремниевых фотоэлементов. Из монокристаллического или поликристаллического кремния делаются тончайшие пластины, которые и являются элементами, способными «вбирать» солнечный свет для его последующего преобразования в традиционное электричество. Фотоэлементы соединяются параллельно-последовательным способом друг с другом в единую цепь. Модуль дополнен алюминиевой рамкой, проводами, распределительной коробкой. Все перечисленные детали соединены в один блок герметиками.

Интересная информация: Кремниевые пластины, к сожалению изобретателей, сильно отражают свет. Соответственно часть солнечной энергии отражается, не используется модулем. Для уменьшения потерь фотоэлектрические пластинки покрываются антибликовым слоем. А чтобы предотвратить повреждение пластины из кремния от ветра, дождя, града, сверху модуль закрывается ударопрочным стеклом.

При этом работа солнечных панелей сама по себе не даст никакого результата, если блок не будет подключен к следующим дополнительным компонентам:

• Аккумулятор. Его роль накопительная. Аккумулятор накапливает энергию, которую получили и преобразовали фотоэлементы. Установка АКБ позволяет использовать электричество тогда, когда возникает потребность в нем. Аккумулятор обеспечивает здание или оборудование электроэнергией в темное время суток и в пасмурную погоду, если не хватает энергии от фотомодулей. Нужно понимать, что в АКБ заряд идет постоянным током большого ампеража и низкого вольтажа. Для преобразования такого тока в переменный 200 вольт нужны специальные устройства.
• Контроллер заряда. Критически важно обеспечить правильную нагрузку и вольтаж для заряда АКБ. Часто контроллеры заряда входят в состав гибридных инверторов или блока литий ионных батарей. Это BMS контроллеры
• Инвертор-преобразователь. Важнейший элемент системы, задача которого состоит в преобразовании постоянного тока, поступающего контроль заряда АКБ, контроль нагрузки потребителей, преобразование гармоник, всплесков и других характеристик сети (у электрического тока с нашей с вами сети есть еще ряд параметров и характеристик кроме 200 вольт и 50 герц)в переменный заряд.
• Стабилизатор напряжения. Этот компонент отвечает за поддержание оптимальных показателей напряжения в сети. 

Итак, без любого из перечисленных элементов, система работать не сможет. А чтобы она не просто работала, а демонстрировала надежность и стабильность, компоненты должны быть грамотно подобраны.

Их характеристики должны соответствовать общим расчетам, поэтому проектирование системы нужно доверять профессионалам, работающим в данной сфере.

Кристаллы фотоэлементов: виды и различия

Уже упоминалось, что пластины солнечных панелей могут быть монокристаллическими и поликристаллическими. Чем они отличаются?

• Монокристаллические фотоэлементы изготавливаются из пластин кремния, которые, в свою очередь, представляют собой тончайшие срезы кремниевого кристалла, выращенного из очищенного сырья. Они демонстрируют высокий КПД до 22%. Первые фотомодули в лабораториях были из селена, который давал КПД около 1% !!! Вот такой путь от лаборатории до эффективной технологии прошли фотомодули за почти полвека Панели с монокристаллическими элементами достаточно дорогие, что объясняется дороговизной производственного процесса.
• Поликристаллические фотоэлементы производятся путем расплавления кремниевого сырья и его постепенного охлаждения. Степень очистки кремния в них ниже, производственный процесс – проще, чем в первом случае. Но и результат, который можно получить при использовании таких фотоэлементов, не такой высокий. КПД достигает всего 15%.

Итак, фотоэлектрические элементы выбранного типа в нужном количестве соединяется между собой последовательно-параллельно. Такой принцип соединения позволяет получить высокие показатели напряжения и тока. Кроме того, при выходе одного элемента из строя, цепь сохраняет работоспособность, и панель может функционировать без сбоя.

Интересно знать: Монокристаллические и поликристаллические кремниевые панели не единственные доступные. Это самые популярные варианты, которые наиболее часто используются в солнечной промышленности. Но ученые, неудовлетворенные сложность выращивания кристаллов и недостаточно высоким КПД, продолжают искать им альтернативу. К примеру, конкурентами кремниевых батарей можно считать тонкопленочные кремниевые, кадмиевые фотоэлементы, пленки селенида меди-индия-галлия. Хоть КПД у этих устройств также варьируется на показателе 10-11%, но есть у них свои плюсы.

Тонкая пленка эластична, долговечна, может наноситься на поверхности с неправильной геометрией. И, как показывают тесты, пленочные фотоэлектрические элементы лучше принимают лучи в пасмурную погоду. Когда речь идет о небольших объемах необходимой альтернативной энергии, такой вариант может быть рассмотрен.

Крупнейшими производителями солнечных панелей являются Китай и США. Китайские батареи отличаются конкурентной ценой. При этом они полностью соответствуют мировым стандартам, сертифицированы, надежны и долговечны.

Принцип работы солнечных панелей

Теперь, когда мы разобрались, что такое солнечная панель, рассмотрим принцип работы солнечных батарей. Важно отметить, что в конструкции модулей есть два вида полупроводников:

• n-слой с избыточным числом электронов;
• p-слой с дефицитом электронов.

При попадании солнечных световых потоков на n-слой его электроны высвобождаются из атомов и под действием электрического поля перемещаются на p-слой, где изначально наблюдалась их недостача.

После перенаправления выработанной энергии на АКБ они вновь перемещаются на первый слой, где для них есть свободное место. Направленное движение электронов – это и есть электрический ток. Процесс не прекращается, пока аккумулятор не наберет заряд. Мощность солнечной панели длиной в метр может достигать 125 Вт.

Интересно знать: Солнечная панель может иметь многослойное строение или конструкцию с несколькими p-n переходами. Многослойные блоки улавливают солнечные потоки разного спектра, лучи разной длины. Пока такие вариации используются только в космической сфере, но скоро могут появиться и в широком доступе в солнечной промышленности. Их конструктивная особенность заключается в наличии специальных призм, разделяющих разные световые потоки. Что касается эффективности, то трехслойные панели демонстрируют КПД до 49%, а модели с бесконечным числом слоев имеют КПД до 68%.

 

Важная информация: Так как батарея устанавливается, чтобы получать и преобразовывать энергию солнца, то вполне понятно, что панели монтируются на площадках, где открыт доступ к солнечному свету. Если часть конструкции оказывается затемненной, это может вызвать падение выходного напряжения. Поэтому место установки тщательно продумывается, убираются все, что может создать тень. Например, крона деревьев формируется так, чтобы она не отбрасывала тень на панели.

Какие плюсы получает владелец солнечных батарей

Солнечные батареи – это современные технологии. И все же. Какие преимущества получает владелец станции? Даже одна батарея позволяет:

• существенно экономить на электроэнергии, ведь ее мощности хватит, чтобы частично или полностью отказаться от тока из центральных электросетей;
• окупаемость солнечных станций 3-5 лет, далее владелец получает чистую прибыль;
• при правильно спроектированной системе энергии солнца после трансформации в электрический ток может хватать, чтобы отапливать дом и подогревать горячую воду;
• излишки электричества можно продавать по «Зеленому тарифу».

Интересно знать: Многие люди уверены, что зимой солнечная батарея не будет эффективной, так как световой день короткий, энергии солнца гораздо меньше, чем летом. Но не стоит забывать, что снег прекрасно отражает лучи. Поэтому на панели, при правильной их установке, будет попадать часть отраженного света. И мощность модуля сократиться в зимнее время незначительно. С 2019 года производители начали выпускать двухсторонние фотомодули, которые эффективно улавливают отраженное излучение. КПД таких модулей выше на 5-7 % по сравнению с обычными.

В рамках данного материала эксперты компании GREEN SYSTEM рассказали, из чего состоят солнечные панели, как работают батареи. В офисе компании в г. Запорожье бул Парковый 1ф оф 4 вы сможете увидеть образцы солнечных панелей различных типов, комплектующие солнечных электростанций. Действует реальная модель автономной СЭС. Мы покажем аналитику и статискиу по работающим объектам, построенным нашей компанией, расскажем о ньюансах этих объектов и о том как строить эффективные солнечные станции.

Если вы хотите узнать больше про возможные выгоды от установки солнечных батарей или про принцип действия солнечной панели, свяжитесь с нашим менеджером по телефону. Специалист даст консультацию в телефонном режиме или назначит встречу на удобное для вас время.

Как работают солнечные батареи ночью и в пасмурную погоду

Многими движет желание дистанцироваться от общих электросетей и стать независимыми , а также сэкономить значительные средства на оплате квитанций за электроэнергию. Российское правительство разрабатывает ряд мер, способствующих распространению альтернативной энергетики в нашей стране. Готовиться законопроект, согласно которому, излишки можно продавать в государственные энергетические компании. Ведущие европейские страны давно ведут грамотную политику в новой для нас области и уже добились определенных успехов. Жители Германии, Швеции, Австралии могут не только пользоваться собственными источниками, но и продавать.

Принцип работы:

• лучи падают на поверхность,
• происходит поглощение света,
• он преобразуется в электрический ток.

Чем больше попадает на поверхность лучей, тем выше КПД. А если их нет? Получается, и панель не работает и энергия не вырабатывается. Это не так.

Эффективность в пасмурную погоду

В плохую погоду гелио-модули способны вырабатывать электроэнергию. Дело лишь в том, насколько темно на улице. Ведь панели способные поглощать прямые лучи и рассеянный свет.

Ясно, что коэффициент полезного действия снизится, но не настолько критично, как многим кажется. В зависимости от степени облачности в среднем он снижается на 10-25%.

Хочется отметить деталь, которую обязательно нужно учитывать, при установке. Крыша дома, где планируется монтаж гелио-системы, не должна находиться в тени. Следует избавиться от всего, что даёт эту тень: лишних деревьев, построек, вышек. Либо перенести установку на другое место. Это даст вам более эффективную работу всей мини-электростанции.

Что касается осадков в виде дождя и снега, они несколько снижают КПД, но в целом глобально не влияют на работу. Если идёт дождь, но солнце, панели будут стабильно накапливать энергию. При эксплуатации зимой, важно грамотно произвести монтаж установки, правильно выставить наклон (не забываем, зимой солнце расположено несколько ниже, чем летом), а также регулярно производить очистку от снега и наледи. 

Работают ли батареи ночью?

Понятно, что солнца нет, а, значит, батарея не вырабатывает. Ночью модули не работают. Здесь есть два варианта пути: либо, как только батарея переходят в режим ожидания, вы должны будете подключаться к общей сети и брать энергию оттуда. Либо использовать аккумуляторы, способные накапливать, когда светло, а потом отдавать ее.

Таким образом, в ночное время, зимой, в любой момент, когда света не хватает для получения достаточного количества энергии, вам на помощь придут аккумуляторы, где хранится запас. Использование аккумуляторов также целесообразно в случае постоянных отключений электроэнергии.

Использование в других странах

Вы не поверите, но, например, Германия является достаточно пасмурной страной. Однако, именно там в 2006 году открылся самый большой в мире парк электростанций. Во многих городах США преобладает пасмурная дождливая погода. Это и Сан-Франциско, и Сиэтл, и Бостон. Но солнечная энергетика там продолжает развиваться и не сдаёт свои позиции.

Кроме того, не стоит забывать и о том, что в области солнечной энергетики постоянно происходит развитие, совершенствуются технологии, модули год от года становятся всё более эффективными, показывают наилучший КПД. А, кроме того, снижается их стоимость, что также сказывается на активности населения по их установке и эксплуатации.

Многие ученые занимаются разработкой модулей, которые будут даже ночью поглощать. Пока ведутся многочисленные разработки, ставятся эксперименты, но, будем надеяться, в скором времени они появятся на рынке.

Ученые запатентовали новую модель пленки для солнечных батарей

Ученые Южно-Уральского государственного университета разработали и запатентовали новый вид голографической пленки для защиты солнечных батарей от перегрева в условиях жаркого климата. Патент на полезную модель был получен в прошлом году после серии научных публикаций и экспериментов.

Солнечная энергетика – шаг в будущее

Использование солнечной энергии является экологически чистой альтернативой традиционному ископаемому топливу, поэтому в последнее время значительно выросла потребность в устройствах, которые могут преобразовывать солнечную энергию в электричество. Примером таких устройств служат фотоэлектрические элементы. Уже разработаны различные типы фотоэлектрических устройств, однако эффективность фотоэлектрического преобразования все еще нуждается в улучшении, и поэтому создание методов повышения их эффективности является приоритетной задачей многих исследователей.

Молодые ученые Илхом Махсумов и Евгений Сироткин под руководством доктора технических наук, профессора кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Политехнического института ЮУрГУ Ирины Кирпичниковой создали голографическую пленку, которая повысит эффективность работы фотоэлектрических систем в условиях жаркого климата. Такой эффект достигается за счет защиты солнечных модулей от перегрева и повышения вырабатываемой ими энергии при помощи увеличения концентрации солнечных лучей.

Фото: профессор кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Ирина Кирпичникова

Большинство фотоэлектрических модулей спроектированы таким образом, что наиболее эффективно они работают в стандартных испытательных условиях, то есть при освещенности, равной 1000 Вт/м2 и температуре воздуха +25°С. Однако на открытом воздухе в реальных условиях эксплуатации модуль, как правило, работает при более высокой температуре, что приводит к снижению генерируемой мощности и к сокращению срока службы.

«Голографическая пленка на основе призматических концентраторов (призмаконов) из прозрачного материала содержит голографические линзы бесконечно малых размеров. Сверху она покрыта ультратонким слоем напыления из редкоземельных металлов. Этот слой отражает инфракрасное излучение и пропускает видимое излучение. Внутренняя структура голографической пленки выполнена в виде миниатюрных пирамид – призматических концентраторов, способных эффективно улавливать световые лучи и за счет многократного отражения их внутри призм, концентрировать на поверхности солнечного модуля. Это решение увеличивает эффективность солнечных модулей даже при пасмурной погоде», – поясняет Ирина Кирпичникова.

 

Новое решение улучшит работу солнечных батарей

Принцип работы голографической пленки заключается в том, что солнечные лучи попадают на поверхность модуля, при этом часть спектра (инфракрасные лучи) отражается от металлизированного верхнего слоя пленки, предотвращая перегрев модуля. Видимая часть спектра солнечного излучения попадает на пирамидальную структуру концентраторов, и, неоднократно преломляясь в них, благодаря внутреннему отражению, концентрируется на солнечном элементе, вне зависимости от угла падения лучей на солнечный модуль.

Эта пленка может применяться на любых органических и неорганических фотоэлектрических элементах, на фотоэлектрических панелях, солнечных тепловых панелях, на источниках освещения, на светоотражающем материале, используемом на дорожных знаках. Кроме того, она позволяет получить большое количество вариантов в направлении световых лучей, которые часто не могут быть получены иным образом.

Такое простое и экономичное решение позволяет увеличить выработку электроэнергии солнечным модулем, не допускает его перегрева и выхода из строя, в целом способствует повышению эффективности его работы.

Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ) – это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегией научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В Год науки и технологий ЮУрГУ примет участие в конкурсе по программе «Приоритет–2030». Вуз выполняет функции регионального проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ).

СМИ о нас:

---

Читайте нас:

Срок службы солнечных батарей • Ваш Солнечный Дом

Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 30 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10%. Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет.

Солнечные модули обычно деградируют быстрее в первые 2 года эксплуатации. Тонкопленочные модули теряют от 10 до 30% мощности в первые 2 года эксплуатации, поэтому обычно новые они имеют запас мощности около 15-20%. Около 90% рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули, т.к. их деградация гораздо меньше, а срок службы – больше, чем у других типов солнечных модулей (см. таблицу ниже).

Как быстро солнечные панели деградируют/теряют свою эффективность?

Типичная деградация мощности солнечных панелей составляет 0. 5% в год. Как указывалось выше, тонкопленочные солнечные панели (a-Si, CdTe и CIGS) деградируют быстрее, чем моно и поликристаллические панели. Ниже приведена таблица с данными по деградации солнечных панелей, произведенный до 2000 года и после 2000 года. :

Тип солнечного элемента	Потеря мощности за год, %
Произведены:	до 2000 г.	после 2000 г.
Аморфный кремний (a-Si)	0.96	0.87
Теллурид кадмия (CdTe)	3.33	0.4
Селенид медь-индий-галлий (CIGS)	1.44	0.96
Монокристаллический кремний (mono-Si)	0.47	0.36
Поликристаллический кремний (poly-Si)	0.61	0.64

Данные взяты из  Photovoltaic Degradation Rates — An Analytical Review NREL

Каков ожидаемый срок службы солнечных панелей?

Производители солнечных батарей гарантируют работу солнечных модулей в течение 25 лет (для солнечных панелей с защитной пленкой) или даже 30  лет (для модулей с двойным стеклом), при этом снижение мощности не будет превышать 20% к концу этого срока.

Многие производители дают гарантию на свои модули на период от 10 до 25 лет. При этом они гарантируют, что мощность модулей через 10 лет снизится не более, чем на 10%. Гарантия на механические повреждения дается обычно на срок от 1 до 5 лет.

Для более подробной информации о гарантиях на солнечные батареи, см. Solar Panel Warranty Comparison.

 

Наиболее богатым опытом эксплуатации обладают кристаллические модули. Их начали устанавливать еще 50-х годах прошлого века, а массовое использование началось в конце 1970-х. Поэтому именно о долговечности таких модулей уже можно делать какие-то выводы.

Расчетный срок службы кристаллических модулей обычно 30 лет. Производители делают ускоренные тесты по эксплуатации модуля для того, чтобы оценить его реальный срок службы. Сами солнечные элементы, используемые в солнечных модулях, имеют практически неограниченный срок службы и показывают отсутствие деградации по прошествии десятков лет эксплуатации. Однако, выработка модулей со временем падает. Это результат 2 основных факторов – постепенное разрушение пленки, используемой для герметизации модуля (обычно используется этиленвинилацетатная пленка – ethylene vinyl acetate; EVA) и разрушение задней поверхности модуля (обычно поливинилфосфатная пленка), а также постепенное замутнение прослойки из EVA пленки, расположенной между стеклом и солнечными элементами.

Герметик модуля защищает солнечные элементы и внутренние электрические соединения от воздействия влаги. Так как практически невозможно полностью защитить элементы от влаги, модули на самом деле “дышат”, но это крайне трудно заметить. Ультрафиолет и перепады температур постепенно разрушает герметик, защищающий от влажности элементы и электрические соединения. Влага, попавшая внутрь, выводится наружу днем, когда температура модуля возрастает. Солнечный свет постепенно разрушает герметизирующие элементы за счет ультрафиолетового излучения, и они становятся менее эластичными и более податливыми на механические воздействия. Со временем, это приводит к ухудшению защиты модуля от влаги. Влага, попавшая внутрь модуля, ведет к коррозии электрических соединений, увеличению сопротивления в месте коррозии, перегреву и разрушению контакта или к уменьшению выходного напряжения модуля.

Второй фактор, уменьшающий выработку модуля – это постепенное уменьшение прозрачности пленки между стеклом и элементами. Это уменьшение не заметно невооруженным глазом, но ведет к снижению мощности модуля за счет того, что меньше света попадает на солнечные элементы. 

Что будет с моими солнечными батареями после 25 лет эксплуатации?

Рекомендуем почитать по теме:
Руководство покупателя солнечных батарей
Основы фотоэнергетики

Честно говоря, мы не знаем. До сих пор нет достаточных статистических данных по этому вопросу, т.к. фотоэнергетика – довольно молодая отрасль, и подавляющее большинство модулей, находящихся сейчас в эксплуатации. сделаны менее 10 лет назад. Однако, те данные, которые существуют, позволяют говорить о том, что солнечные батареи будут работать гораздо дольше обещанных производителями 25 лет:

• Солнечная панель  33W  (Arco Solar 16-2000) на самом деле имеет лучшие показатели, чем обещаны в ее спецификациях через 30 лет работы. ^[2]
• Первая в мире солнечная панель продолжает работать уже 60 лет.^[3]
• Kyocera отчиталась о солнечных установках, которые продолжают успешно и надежно работать через 30 лет эксплуатации.

Максимальное ухудшение обычно гарантируется производителями на уровне не более 20% за 25 лет. Однако измерения, проведенные на реально работающих с 1980 годов модулей показывают, что их выработка уменьшилась не более, чем на 10%. Очень многие из этих модулей и до сих пор работают с заявленными при производстве параметрами (т.е. нет деградации). Поэтому можно смело говорить, что модули будут работать не менее 20 лет, и с высокой вероятностью обеспечат высокие показатели и через 30 лет с момента начала работы.

Современные технологии производства солнечных панелей существенно улучшены, и солнечные панели, которые продаются сейчас еще более надежны, стабильны  и эффективны.

Все это означает, что если при расчетах окупаемости солнечных энергоустановок был принят срок службы солнечных панелей 20 лет, то далее они будут генерировать электрическую энергию бесплатно.

Мы уверены, что качественные солнечные панели будут работать генерировать электроэнергию и через 30 – 40 лет после установки.

 

Что можно сделать для увеличения срока службы солнечных панелей?

• Избегайте физических повреждений панели (т.е. падения деревьев, веток, срыва ветром, царапин на модуле). Чем больше царапин на поверхности модуля, тем меньше его эффективность. В самом плохом варианте влага и вода может попасть между стеклом и защитной пленкой и привести к короткому замыканию и/или коррозии контактов солнечных элементов.
• Регулярное обслуживание и чистка очень важны. См.  Best Way to Clean Solar Panels.
• Чем тяжелее климатические условия, в которых работают солнечные панели, тем быстрее они будут деградировать. Поэтому, в некоторых случаях имеет смысл устанавливать ветрозаграждающие конструкции.

Какой срок службы имеют другие компоненты солнечной энергосистемы?

Другие компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет (в среднем 4-10 лет), а силовая электроника – от 5 до 20 лет (в среднем 10-12 лет) 

Эта статья прочитана 42714 раз(а)!

Продолжить чтение

• 73

  Как правильно выбирать солнечные элементы и модули Вы собрались купить солнечную батарею? В первую очередь, нужно обратить внимание на технические параметры солнечного модуля. Основные из них перечислены ниже. Также, нужно проверить качество изготовления и отсутствие визуальных дефектов на солнечных элементах,…

• 68

  Что такое солнечные элементы, модули, инверторы, контроллеры, электростанции? Солнечная энергетика становится мейнстримом современной энергетики, и с каждым годом вызывает все больший интерес. Фотоэлектрическая энергетика — новая отрасль, которая стремительно развивается и уже сейчас современный мир невозможно представить без солнечных фотоэлектрических…

• 67

  Почему нужно устанавливать солнечные батареи? За последние года стоимость солнечных фотоэлектрических панелей уменьшилась в несколько раз. Снижается также стоимость комплектующих для солнечной энергосистемы. Низкая стоимость солнечных батарей, а также увеличивающаяся стоимость на энергоносители (в т.ч. и на электроэнергию от сети)…

• 65

  Китайские солнечные модули — как не ошибиться при покупке? В последнее время на рынке появилось много предложений по китайским солнечным модулям. Действительно, в Китае сейчас производится бОльшая часть всех производимых в мире солнечных модулей. Есть среди них и качественные, отвечающие…

• 64

  Покупать и устанавливать солнечные батареи зимой дешевле, чем летом Все больше домовладельцев открывают для себя преимущества установки солнечных батарей для полного или частичного электроснабжения в загородном доме. Но вот что многие еще не до конца понимают это то, что зима…

• 61

  Как работают солнечные фотоэлектрические элементы? Структура солнечного элемента Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он…

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

Ориентация солнечных панелей — Полезная информация — ВАРМА

Только малая доля солнечного излучения достигает поверхности земли.

1. прямая     2. поглащение      3. отражение     4. непрямая

Солнечный свет проходит свой путь от Солнца до Земли по прямой линии. Когда он достигает атмосферы, часть света преломляется, а часть достигает земли по прямой линии. Другая часть света поглощается атмосферой. Преломленный свет — это то, что обычно называется диффузной радиацией, или рассеянным светом. Та часть солнечного света, которая достигает поверхности земли без рассеяния или поглощения — это прямая радиация. Прямая радиация — наиболее интенсивная.

Солнечные модули производят электричество даже когда нет прямого солнечного света. Поэтому, даже при облачной погоде фотоэлектрическая система будет производить электричество. Однако, наилучшие условия для генерации электроэнергии будут при ярком солнце и при ориентации панелей перпендикулярно солнечному свету. Для местностей северного полушария панели должны быть ориентированы на юг, для стран южного полушария — на север.

Влияние различных световых условий на выработку фотоэлектрических модулей (в % от полной мощности)

 

Условие	% от «полного» солнца
Яркое солнце — панели расположены перпендикулярно солнечным лучам	100%
Легкая облачность	60-80%
Пасмурная погода	20-30%
За оконным стеклом, один слой, стекло и модуль перпендикулярны солнечным лучам	91%
За оконным стеклом, 2 слоя, стекло и модуль перпендикулярны солнечным лучам	84%
За оконным стеклом, один слой, стекло и модуль под углом 45° солнечным лучам	64%
Искуственный свет в офисе, на поверхности письменного стола	0. 4%
Искуственный свет внутри яркого помещения (например, магазин)	1.3%
Искуственный свет внутри жилого помещения	0.2%

Солнце двигается по небу с вотока на запад. Положение Солнца на небосклоне определяется 2-мя координатами — склонением и азимутом. Склонение — это угол между линией, соединяющей наблюдателя и Солнце, и горизонтальной поверхностью. Азимут — это угол между направлением на Солнце и направлением на юг (см рисунок справа).

Следует также учитывать, что направление на магнитный юг (т.е. по компасу) не всегда совпадает с направлением на настоящий юг. Существуют истинный и магнитный полюсы, не совпадающие между собой. Соответственно этому есть истинный и магнитный меридианы. И от того и от другого можно отсчитывать направление на нужный предмет. В одном случае мы будем иметь дело с истинным азимутом, в другом — с магнитным. Истинный азимут — это угол между истинным (географическим) меридианом и направлением на данный предмет. Магнитный азимут —угол между магнитным меридианом и направлением на данный предмет. Понятно, что истинный и магнитный азимуты отличаются на ту же самую величину, на которую магнитный меридиан отличается от истинного. Эта величина называется магнитным склонением. Если стрелка компаса отклоняется от истинного меридиана к востоку, магнитное склонение называют восточным, если стрелка отклоняется к западу, склонение называют западным. Восточное склонение часто обозначают знаком «+» (плюс), западное — знаком «—» (минус). Величина магнитного склонения неодинакова в различной местности. Так, для Московской области склонение составляет +7, +8°, а вообще на территории России оно меняется в более значительных пределах.

См. также «как вычислить истинный азимут по склонению и магнитному азимуту».

На практике, солнечные панели должны быть ориентированы под определенным углом к горизонтальной поверхности. Около экватора солнечные панели должны располагаться под очень маленьким углом (почти горизонтально), для того, чтобы дождь смывал пыль и грязь с фотоэлектрических модулей.

Небольшие отклонения от этой ориентации не играют существенной роли, потому что в течение дня солнце двигается по небу с востока на запад.

Пример

Доля производства энергии фотоэлектрической системой при наклоне 45 градусов, для широты местности 52 градуса северной широты.

запад	юго-запад	юг	юго-восток	восток
78%	94%	97%	94%	78%

Выработка максимальна (100%) когда панели расположены под углом 36 градусов и ориентированы на юг. Как видно из таблицы, разница между направлениями на юг, юго-восток и юго-запад незначительна.

 

Солнечные панели наиболее эффективно работают, когда они направлены на солнце и их поверхность перпендикулярна солнечным лучам. Солнечные панели обычно располагаются на крыше или поддерживающей конструкции в фиксированном положении и не могут следить за положением солнца в течение дня. Поэтому, обычно солнечные панели не находятся под оптимальным углом (90 градусов) в течение всего дня. Угол между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью обычно называют углом наклона.

Вследствие движения Земли вокруг Солнца, имеют место также сезонные вариации. Зимой солнце не достигает того же угла, как летом. В идеале, солнечные панели дожны располагаться летом более горизонтально, чем зимой. Поэтому угол наклона для работы летом выбирается меньше, чем для работы зимой. Если нет возможности менять угол наклона дважды в год, то панели должны располагаться по оптимальным углом, значение которого лежит где-то посередине междну оптимальными углами для лета и зимы. Для каждой широты есть свой оптимальный угол наклона панелей. Только для местностей около экватора солнечные панели должны располагаться горизонтально.

Обычно принимается для весны и осени оптимальный угол наклона равным значению широты местности. Для зимы к этому значению прибавляется 10-15 градусов, а летом от этого значения отнимается 10-15 градусов. Поэтому обычно рекомендуется менять дважды в год угол наклона с «летнего» на «зимний». Если такой возможности нет, то угол наклона выбирается примерно равным широте местности.

	1.солнце зимой 2.солнце летом
Оптимальный угол наклона зимой и летом

Небольшие отклонения до 5 градусов от этого оптимума оказывают незначительный эффект на производительность модулей. Различие в погодных условиях более влияет на выработку электричества. Для автономных систем оптимальный угол наклона зависит от месячного графика нагрузки, т.е. если в данном месяце потребляется больше энергии, то угол наклона нужно выбирать оптимальным именно для этого месяца. Также, нужно учитывать, какое есть затенение в течение дня. Например, если с восточной стороны у вас дерево, а с западной все чисто, то, скорее всего, имеет смысл сместить ориентацию с точного юга на юго-запад.

Потери выработки вследствие отражения

(в процентах к перпендикулярному направлению на модуль)

 

Угол падения лучей света	Потери
9	1.2%
18	4.9%
40	19.0%
45	29.0%

Пример

Оптимальный угол наклона для широты 52 градуса (северной широты) для соединенных с сетью систем составляет 36 градусов. Однако, для автономной системы с примерно равной потребностью в энергии в течение года, оптимальный угол наклона будет составлять около 65-70 градусов.

Как Китай возглавил мировое производство солнечной энергии

• Крис Баранюк
• Корреспондент отдела технологий, Би-би-си

22 июня 2017

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Возможно, Китай и потребляет больше электричества, чем другие страны, но в то же время он — крупнейший производитель солнечной энергетики

10 лет назад Джеф Мозер получил степень магистра солнечной энергетики в Аризонском государственном университете. Однако молодой специалист не нашел возможности применить полученные знания у себя на родине, в результате чего отправился в Китай.

«Индустрия солнечной энергики была относительно небольшой, мест для работы тоже было немного, — вспоминает Джеф. — Их было всего несколько, в основном связанных с установкой оборудования».

В то же время китайское правительство строило большие планы по расширению индустрии солнечной энергетики, и Мозер увидел в этом потенциал.

Он посвятил несколько лет изучению китайской солнечной энергетики, после чего стал соучредителем Symtech Solar — компании, которая занимается производством солнечных панелей из китайских материалов.

Доступ к рынку

Суть идеи — облегчить доступ иностранных организаций к китайским компонентам, избежав хлопот, связанных с поиском и установкой различных запчастей.

Автор фото, Symtech

Подпись к фото,

Джеф Мозер нашел применение своим знаниям в Китае, обнаружив потенциал индустрии солнечной энергетики

«Вы не хотите покупать дверцу машины или машинный двигатель, вы хотите купить всю машину», — объясняет Мозер.

Symtech собрала портфель небольших проектов по всему миру и планирует увеличить количество установок на Ближнем Востоке благодаря новому офису компании в Омане.

Мозер — отнюдь не единственный предприниматель, увидевший перспективы в Китае. Алекс Шоер из компании Seeder участвовал в запуске бизнеса, связанного с установкой солнечных панелей на крышах домов на территории КНР.

Шоер работает с местными компаниями, которые хотят сделать свои офисы в Пекине немного зеленее. По словам компании, на данном этапе уже было собрано установок общей мощностью три мегаватта, еще 28 мегаватт находятся на пути к различным клиентам.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

В Китае установлено солнечных батарей общей мощностью более чем 34 гигаватта в 2016 году

«Мы поднимаем инвестиции, оплачиваем весь проект и затем продаем электроэнергию со скидкой», — говорит Мозер. Действующая модель также основана на поиске правильных частей по приемлемым ценам.

Такие типы установок известны как проекты «распределенного производства», в которых электричество производится в небольших количествах и находится близко к источнику потребления.

В Китае распределенное производство растет с необычайной скоростью. Это происходит зачастую благодаря фермерам, которые используют панели для зарядки сельскохозяйственного оборудования, которое может быть не подключено к сети.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Китайские мегапроекты стали возможными благодаря стремительно падающим ценам на солнечные батареи

Шоер признает, что его подкупил ответственный подход Пекина к вопросу солнечной энергетики. Так, на протяжении многих лет правительство воодушевляло местные власти делать все возможное для продвижения производства, поддержки исследований и разработок.

Рост возобновляемых источников энергии

Стремительное распространение возобновляемых источников энергии в Китае попало в заголовки новостей по всему миру.

По данным Международного энергетического агентства (IEA), общая мощность батарей, установленных в Китае в 2016 году, превысила 34 гигаватта — это больше половины показателя США и почти 50% мировой добавочной мощности, произведенной в этом же году.

По данным ранних показателей 2017 года, только в первом квартале текущего года Китай произвел дополнительные восемь гигаватт энергии.

«Это огромный рынок», — считает Хейми Бахар, представитель компании IEA. Примерно 60% всех солнечных панелей производится в Китае и на Тайване, добавляет Бахар.

Но впечатляющий масштаб проекта на этом не заканчивается. Крупнейшая солнечная электростанция в мире «Лунъянся» площадью 30 квадратных километров — тоже китайский проект. В стране также недавно открылась самая большая плавучая солнечная ферма в мире, которая находится в провинции Айхонь.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Около 60% всех солнечных панелей производится в Китае и на острове Тайвань

Ферма была установлена на месте угольной шахты, которая на протяжении многих лет заполнялась дождевой водой. Китайская компания Sungrow, снабдившая солнечными панелями предприятие, говорит, что ее система автоматически считывает текущее напряжение, сгенерированное панелями.

Система так же контролирует уровень влажности, который может повлиять на эффективность работы панелей.

Из-за нахождения обильного количества воды неподалеку, проблема с мытьем панелей, которая была настоящей головной болью для фермеров, теперь будет решаться проще, считают работники предприятия.

Осуществление подобных мегапроектов стало возможным благодаря стремительному падению цен на солнечные панели.

«На что мы все надеялись 20 лет назад, когда идея дешевой солнечной энергетики была только мечтой, так это на то, что кто-то возьмется за дело на производственном уровне, снизив тем самым стоимость», — вспоминает Чарльз Донован из бизнес школы Лондонского Имперского колледжа.

«И это именно то, что сделал Китай», — говорит он.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Несмотря на все усилия Китая, только 1% необходимой стране энергии доставляется солнечными панелями

Тем не менее, текущее производство солнечной энергии в Китае покрывает лишь 1% от общей потребности. 66% энергии, до сих пор снабжается угольной промышленностью — показатель, который Национальная администрация энергетики Китая хочет радикально изменить к 2050 году. Не последнюю роль в этом играет всем известная проблема загрязнения воздуха в КНР.

Однако на момент ключевого 2050 года Китай может снабжаться совершенно иными источниками энергии — в случае, если хотя бы не которые из предположений станут действительностью.

В одном из государственных отчетов содержится предположение, что возобновляемые источники энергии смогут обеспечить 86% необходимой стране энергии, причем солнечная энергия составит треть от данного показателя.

Под силу ли это Китаю? По словам одного из экспертов, — возможно.

«Что Китай пытается сделать, так это рационализировать огромную растущую систему», — поясняет Джеффри Бал из центра политики в области энергетики и финансов Стэндфордского университета. Бал — ведущий автор недавнего отчета, который рассказывает об успехе Китая как новатора в индустрии солнечных панелей.

Заоблачные амбиции

По мнению Бала, любую революцию сопровождают определенные трудности переходного периода. Взять хотя бы то, что процесс выделения Китаем субсидий, которые многие называют несостоятельными, не всегда проходил гладко. К примеру, были случаи, когда «зеленый тариф», который часто предоставляется компаниям-производителям солнечной энергетики, оплачивался с опозданием.

«Правительство достаточно часто задерживает выплаты на год, а то больше — и это наносит серьезный ущерб финансовой отчетности проекта», — говорит Бал.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

За последнее время, Китай уменьшил количество субсидий для производителей солнечной энергетики

Объемы субсидий недавно также были урезаны. Кроме того, большинство крупных солнечных электростанций располагаются в менее густонаселенных местностях на западе Китая, вдали от Пекина и Шанхая.

Строительство же линий электропередач, чтобы доставить это электричество в большие города, требует больших временных и финансовых затрат. Это приводит нас к проблеме, известной как «сокращение»- к примеру, когда ферма солнечной энергетики производит 20 мегаватт электричества, а покупателей может найти только на 15 мегаватт.

«В зависимости от того, с кем вы говорите в провинциях с самым крупным производством солнечной энергетики, количество сокращений составляет около 30%, а в некоторых случаях намного выше 30% — это из ряда вон выходящие показатели и настоящая проблема», — обьясняет Бал.

Сможет ли Китай реализовать свои заоблачные амбиции по солнечной энергетике, остается под вопросом, однако способность Китая способствовать развитию мировой индустрии солнечной энергетики не подлежит сомнению.

Для американских предпринимателей, таких как Мозер, на данном этапе этого достаточно, чтобы обеспечить своему бизнесу дальнейший рост.

«Правда в том, что возобновляемая энергетика стоит дешево — в особенности, солнечная энергия, — считает Мозер. — И причиной тому является Китай».

Как работают солнечные панели? Все, что вам нужно знать

Содержание

Как работают солнечные панели?

Какие компоненты составляют солнечную систему?

Как изготавливаются солнечные панели?

Как проектируются солнечные системы?

Узнайте больше об основах солнечной энергии, подписавшись на наш блог.

От ископаемого топлива до гидроэнергии — большая часть энергии начинается с солнца.Солнечные панели получают энергию непосредственно из этого невероятного ресурса, преобразовывая фотоны в электричество.

Солнечные панели могут служить источником энергии для самых разных энергетических приложений. Солнечная энергия может обеспечивать энергией удаленную кабину и поддерживать свет на Международной космической станции, но все мы знаем, что солнечная энергия предназначена не только для обеспечения удаленных нужд.

Поскольку солнечные панели стали дешевле, они стали конкурентоспособным вариантом энергии для домов и предприятий. Помимо экономии энергии, переход на солнечную энергию — один из лучших способов снизить потребление энергии потребителями.Солнечные батареи обеспечивают значительные экологические преимущества, потенциально устраняя зависимость от ископаемых видов топлива, выделяющих углерод, и улучшая качество воздуха.

По этим причинам миллионы домов и предприятий «перешли на солнечную энергию». Вот лишь несколько интересных примеров:

• В 2016 году в доме в Род-Айленде была установлена ​​система мощностью 9,5 кВтч. Этот массив экономит домовладельцам 3 845 долларов в год и окупится к 2022 году.
  
• Санитарный округ округа Лейк в Калифорнии в 2008 году установил около 9 500 солнечных панелей для питания трех санитарных сооружений.Проект направлен на то, чтобы сэкономить налогоплательщикам 5 миллионов долларов в течение 20-летнего срока службы системы, и обеспечивает достаточную мощность для снижения нагрузки электросети от электростанции на 90 процентов.
  
• Vintage Wine Estates в калифорнийской долине Напа установили солнечную систему мощностью 945 кВтч, которая обеспечит экономию энергии на 10 миллионов долларов в течение 30 лет.

Как работают солнечные панели?

Вот краткое изложение того, что происходит при подключении солнечной батареи к розетке в фотоэлектрической системе:

1. Фотоэлементы поглощают фотоны от солнца и преобразуют их в электричество постоянного тока (DC)
   
2. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный (AC) для электроприборов
   
3. Переменный ток проходит по проводам в распределительную коробку для распределения по всему зданию
   
4. Любая неиспользованная электроэнергия возвращается в коммунальную сеть или в накопитель солнечной энергии

Понимание солнечной энергии

Солнечная энергия — это лучистый свет и тепло, излучаемые солнцем.Его собирают множеством способов, таких как фотосинтез растений и солнечное отопление.

Солнечная энергия для производства электроэнергии зависит от субатомных частиц, называемых фотонами. Эти частицы начинают свое путешествие в центре Солнца, проходя через различные слои, прежде чем устремиться в космос. Путешествие от центра Солнца к поверхности может занять от 100 000 до 50 миллионов лет.

После того, как фотоны покидают Солнце, им требуется чуть более 8 минут, чтобы достичь Земли, где они сталкиваются с солнечными панелями и вызывают фотоэлектрический эффект.

Фотоэлектрический эффект (как солнечные панели вырабатывают электричество)

Секретный соус солнечной панели заключается в ее способности преобразовывать фотоны в электроны. Короче говоря, солнечная панель преобразует фотоны в постоянный ток, который затем преобразуется в переменный ток для использования в домашних и деловых целях.

Солнечные элементы обычно строятся из кремния, полупроводника, способного производить электричество. Когда солнечный свет попадает на панель, фотоны взаимодействуют с атомами кремния, высвобождая электроны. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом.

Солнечный элемент изготавливается из положительного и отрицательного кремниевых листов, соединенных вместе. Верхний слой кремния наполнен фосфором для отрицательного заряда, а нижний слой, наполненный бором, поддерживает положительный заряд. Результирующее поле направляет электроны к проводящему металлу и из панели.

Подключение к сети

Как только фотоэлектрический процесс производит ток, электричество должно куда-то течь. Поскольку ток, производимый солнечной панелью, является постоянным, его необходимо преобразовать в переменный, прежде чем его можно будет использовать в большинстве ситуаций.После преобразования в переменный ток энергия солнечной энергии может использоваться разными способами.

Самый распространенный метод — это вход в систему с привязкой к сетке. Подключенная к сети система потребляет значительную часть своей потребности в энергии от солнечных батарей в течение дня. В зависимости от размера системы может быть произведено больше энергии, чем требуется месту, поэтому излишки электроэнергии отправляются обратно в сеть. Когда солнце садится, потребитель получает дополнительную энергию от электросети.

Хотя сетевые системы не являются полностью самодостаточными, они представляют собой эффективный способ снизить счета за электроэнергию и принести пользу окружающей среде.

Чистый счетчик

Основным преимуществом системы, привязанной к сети, является возможность продавать излишки солнечной энергии обратно коммунальному предприятию посредством процесса, называемого чистым счетчиком. В пасмурные дни и ночью солнечная система может не производить достаточно энергии для удовлетворения спроса. Обратное верно для очень солнечных дней: когда потребление энергии низкое, но производство высокое, панели будут собирать излишки энергии, обычно более чем достаточно для удовлетворения энергетических потребностей клиента.

Net metering измеряет электрический поток в обоих направлениях: сколько энергии система потребляет от электросети и сколько вводится.Когда солнечная система производит избыточное количество энергии, счетчик фактически работает в обратном направлении, в результате чего коммунальная компания вознаграждает кредиты за избыточную мощность.

Эти кредиты можно использовать для покупки энергии у коммунального предприятия, когда солнечная система не может удовлетворить спрос.

Какие компоненты составляют солнечную систему?

Солнечные панели являются наиболее очевидными компонентами фотоэлектрической системы, но составляют лишь около 30% от общей стоимости системы. Высокотехнологичное мерцание солнечных панелей — это лишь верхушка айсберга, который фотоэлектрические системы используют для получения возобновляемой энергии солнца.

Давайте подробнее рассмотрим важные компоненты, из которых состоит солнечная система.

Солнечные фотоэлектрические панели

Типичная солнечная панель состоит из кремниевых элементов, металлического каркаса, элементов проводки и стекла. Изолирующий слой и защитный задний лист защищают панель от чрезмерного нагрева и влажности.

Хотя общая конструкция солнечных панелей довольно стандартна, кремниевые элементы производятся в двух различных форматах:

• Монокристаллические ячейки представляют собой один твердый кристалл кремния.Моноэлементы предоставляют больше места для движения электронов, что приводит к более компактной и эффективной панели. Обратной стороной является то, что они обычно дороже.
  
• Поликристаллические ячейки состоят из множества отдельных осколков кремния, сплавленных вместе. Хотя полиэлементы не так эффективны, как моноэлементы, они имеют более низкую цену.

Одно- и многоячеечные элементы служат одной и той же цели. Эстетика и бюджет помогут вам определить, что подходит для вашего следующего проекта.Моно-панели имеют более темный и однородный цвет, а поли-панели более светлые (обычно синие). Если пространство ограничено, лучше всего подойдут монопанели благодаря их более высокой эффективности. Но если пространство не является проблемой или у вас ограниченный бюджет, поли панели по-прежнему являются отличным выбором.

Инверторы

Солнечная энергия поступает прямо с панели в виде постоянного тока. Но энергия должна быть преобразована в переменный ток, прежде чем ее можно будет использовать в коммерческой электрической сети.К счастью, постоянный ток легко конвертируется в переменный, и эта работа остается за инвертором.

Инверторы

делятся на 4 большие категории:

1. Автономные инверторы потребляют энергию постоянного тока от батарей, заряжаемых солнечными панелями, и не взаимодействуют с сетью.
   
2. Сетевые инверторы согласовывают электрический ток от солнечных панелей и электросети. Сетевые инверторы отключаются во время перебоев в подаче электроэнергии, поэтому на них нельзя полагаться в качестве резервного источника питания.
   
3. Инверторы резервного питания от батарей потребляют энергию от батареи и экспортируют излишек энергии в сеть.Инверторы с резервным аккумуляторным питанием могут обеспечивать питание переменного тока при отключении электроэнергии.
   
4. Интеллектуальные гибридные инверторы — это комплексные решения, которые можно использовать для сетевых, автономных или резервных приложений. Интеллектуальные гибридные инверторы часто подключаются непосредственно к солнечным батареям и управляют солнечной нагрузкой, хранением аккумуляторов и взаимодействием с сетью.

Стеллажная и монтажная система

Стойка и монтажное оборудование делают гораздо больше, чем просто прикрепляют панели к крыше или земле — они обеспечивают правильное расположение для максимального воздействия солнечных лучей.Выбор правильной конфигурации и положения для монтажа важен для обеспечения максимальной производительности любой системы.

Солнечные стеллажи и монтажные системы делятся на 3 категории:

1. Системы наземного монтажа . Традиционные системы крепления на земле прикрепляют штабелированные панели к земле, часто от двух до четырех панелей в высоту. Две направляющие обычно поддерживают каждую панель, которую можно ориентировать в портретной или альбомной ориентации. Эти системы крепятся к земле с помощью стальных стержней, винтов или балластов, например бетонных блоков.
   
2. Системы слежения . Моторизованные системы слежения следят за солнцем в течение дня, максимально увеличивая воздействие солнечного света. Системы слежения подразделяются на одноосные и двухосные. Одноосные системы следуют за солнцем по прямой с востока на запад. Двухосевые системы отслеживают солнце по круговой схеме для улучшения воздействия солнечного света.
   
3. Системы крепления на крышу . В наиболее распространенных системах крепления на крыше используются рельсы, надежно прикрепленные к крыше.В других системах, устанавливаемых на крышу, панели крепятся непосредственно к болтам или винтам, закрепленным на крыше, что исключает необходимость использования рельсов и обеспечивает более гладкую эстетику и меньшую нагрузку. Балластные и непроникающие системы обычно используются на плоских крышах или крышах, которые не могут поддерживать монтажное оборудование.

Системы мониторинга производительности

Система мониторинга производительности — это информационная панель, которая дает полную картину производительности вашей системы. Помимо нечеткого ощущения, когда вы видите, как ваш счетчик вращается в обратном направлении, система мониторинга производительности солнечной энергии предлагает ценную информацию о фотоэлектрической системе.

Система мониторинга производительности предлагает информацию о мощности и потреблении энергии, оптимизирует использование энергии и может информировать вас о проблемах в вашей солнечной системе. Системы мониторинга солнечной энергии работают через инверторы, обычно через программное обеспечение для мониторинга, которое обеспечивает связь между инвертором и другими устройствами.

Системы мониторинга производительности

собирают информацию, когда инвертор преобразует постоянный ток в переменный, и делают эту информацию доступной для домовладельца через сопутствующие приложения и устройства умного дома.Лучшие системы мониторинга производительности собирают данные через центральный инвертор или от отдельных микроинверторов, прикрепленных к каждой солнечной панели. Более поздний вариант обеспечивает более полное представление о производительности отдельных солнечных панелей и позволяет быстрее диагностировать потенциальные проблемы.

Как изготавливаются солнечные панели?

Базовая конструкция солнечных панелей не сильно изменилась за последние десятилетия. Подобно массивам, которые впервые начали появляться в домах несколько десятилетий назад, большинство современных солнечных панелей по-прежнему построены из кремниевой матрицы между передней стеклянной пластиной и задним полимерным листом.

Солнечные панели должны выдерживать суровые погодные условия в течение своего 25-летнего срока службы. Лучшие солнечные панели созданы, чтобы выдержать испытание временем, для чего требуется несколько основных материалов и соблюдение строгих производственных стандартов.

Материалы

Солнечные панели лучше всего изображать в виде сэндвича из силикона и стекла. Материалы, из которых изготавливаются солнечные панели, относительно просты:

• Кремниевые элементы
  
• Металлический каркас
  
• Стекло
  
• Провод 12 В
  
• Провод шины
  
• Оргстекло

Кремний, элемент, который придает солнечным панелям их магию генерирования электричества, является активным ингредиентом в рецепте сэндвич-панелей для солнечных батарей, а также является наиболее энергоемким в производстве.Кремний — один из самых распространенных элементов на Земле и основной компонент пляжного песка. Но преобразование песка в чистый кремний, подходящий для солнечных батарей, — это энергоемкий процесс, требующий доработки в высокотемпературных дуговых печах.

После очистки кремния сырье готово для производства солнечной панели.

Производство

Изолированные кусочки кремния формуют в цилиндрические слитки, при этом особое внимание уделяется правильной ориентации атомов.На этом этапе добавляется бор, чтобы кремний получил положительный заряд. Затем слитки разрезают на тонкие пластины толщиной с бумагу и обрабатывают антибликовым покрытием, которое помогает лучше поглощать солнечный свет.

Затем на поверхность каждой пластины добавляются токопроводящие металлы. Фосфор рассеивается по поверхности, обеспечивая отрицательный заряд, чтобы уравновесить положительный заряд бора и обеспечить контролируемый поток электронов.

На этом этапе индивидуальный фотоэлемент готов.Далее ячейки с металлическими коннекторами впаиваются в матрицу. Эта сборка зажата между защитным задним листом и стеклянным покрытием и завершается распределительной коробкой и рамой.

Как устроены солнечные системы?

При проектировании солнечных систем учитываются два важных фактора: доступное пространство и потребность в энергии. Все гайки и болты при проектировании солнечной системы зависят от этих двух факторов, поэтому тщательное их понимание важно для хорошо спланированной солнечной установки.

Для начала проектировщик солнечной энергии рассчитает ежедневные потребности в энергии, обычно глядя на счет за коммунальные услуги. Далее дизайнер определит идеальное количество солнечных панелей для проекта и доступное пространство для их размещения. Определив потребности в энергии и доступное пространство, дизайнер может начать покупать компоненты.

Проектирование солнечной системы может быть сложным. Дизайнер должен определить требования к пространству, потенциальный оттенок, оптимальный угол наклона панели, необходимые разрешения и многое другое.Программные решения могут помочь оценить потребности в солнечной энергии и спланировать лучшую солнечную систему.

Программное обеспечение для проектирования Aurora Solar.

Например, просто выставив счет за электроэнергию, программное обеспечение для проектирования Aurora Solar автоматически предоставляет рекомендации по высококачественному дизайну и материалам для любого места. Aurora также предоставляет несколько инструментов планирования и проектирования в одном интуитивно понятном пакете, включая дизайн сайта, профили нагрузки, анализ оттенков, автоматическое проектирование системы, коммерческие предложения, шаблоны разрешений и многое другое.

Заключение

Конечно, тонкости работы солнечных панелей — это только первый шаг. Если вы хотите узнать больше о солнечной энергии и солнечной индустрии, вот несколько дополнительных ресурсов:

В разделе нашего блога Solar 101 также есть ряд других ресурсов, которые помогут ответить на все ваши вопросы, связанные с солнечной батареей.

Запланируйте демонстрацию сегодня и ускорите выполнение следующего проекта по установке солнечных батарей.

Как работают солнечные панели?

Пока светит солнце, солнечные элементы поглощают солнечную энергию.Солнечные панели предназначены для преобразования электромагнитного излучения солнца в полезную энергию постоянного тока. Установка солнечных панелей также включает в себя электрическое оборудование, инверторы и схемы управления, вырабатывающие переменный ток. С чистым счетчиком или солнечной батареей вы можете хранить электроэнергию для дальнейшего использования в своих системах и устройствах, как обычно.

Что такое солнечные панели?

Легкое определение солнечной панели — это сетка из кремния, стекла и проводов, которая преобразует солнечный свет в электрическую энергию.

Фотоэлектрические (PV) элементы составляют самый основной компонент солнечных панелей. Панель состоит из группы соединенных между собой фотоэлементов. Набор панелей, также называемых модулями, составляет солнечную батарею.

Фотоэлемент имеет размер примерно 6 дюймов в длину и 6 дюймов в ширину, имеет квадратную форму и выглядит как небольшое отражающее окно. Количество фотоэлектрических ячеек, необходимых для массива, зависит от размера модуля. Например, модуль на 12 В имеет 36 ячеек, соединенных в сеть, а модуль на 24 В имеет 72 ячейки.

Каждая ячейка содержит слои из противоположно заряженных полупроводниковых материалов. Традиционные солнечные элементы изготавливаются из кремния — второго по распространенности элемента на Земле после кислорода.

В солнечно-электрических технологиях в качестве полупроводникового материала используется кристаллический кремний. В жилых солнечных панелях этот материал чаще всего представляет собой монокристаллический или поликристаллический кремний. Монокристаллические панели изготовлены из монокристаллического кремния и имеют однородный темный вид с закругленными краями.Поликристаллические панели изготовлены из поликристаллического кремния и имеют пестрый синий вид с квадратными краями.

Эффективность солнечной панели во многом определяется чистотой кремния в ее элементах. Монокристаллический более чистый, поэтому он может генерировать больше солнечной энергии, занимая меньше места, чем поликристаллические элементы. Существуют различные типы солнечных модулей, например, с аморфным кремнием или тонкопленочные солнечные элементы, но они, как правило, не подходят для установки в домашних условиях.

Как работают солнечные панели?

Солнце похоже на естественный ядерный реактор, всегда выделяющее энергию в виде крошечных частиц электромагнитного излучения, называемых фотонами.Солнечные панели генерируют энергию за счет фотоэлектрического эффекта — физического и химического явления, которое преобразует энергию солнца в полезную электроэнергию. Когда солнечный свет входит в контакт с модулем, солнечные элементы поглощают световую энергию (фотоны).

Проще говоря, солнечные панели работают путем преобразования солнечной энергии в постоянный ток, который преобразуется в переменный ток, которым питается ваш дом.

1. Солнечные элементы поглощают фотоны: Думайте о фотонах как о крошечных частицах солнечного света.Фотон сбивает электрон и создает «дыру» в солнечном элементе. Отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная дырка теперь могут свободно перемещаться.

   Тонкие металлические «пальцы» наверху ячейки помогают улавливать незакрепленные электроны. Когда фотон попадает в солнечный элемент, он вызывает пару положительных и отрицательных зарядов, что приводит к возникновению напряжения и электрического тока. В кремниевых ячейках атомы быстро разделяются, когда электроны присоединяются к потоку тока.

2. Солнечные панели генерируют ток: Солнечные элементы преобразуют фотоны в постоянный ток (DC).Каждый солнечный элемент состоит из кристаллического кремния, зажатого между положительным и отрицательным проводящими слоями. Отрицательный слой имеет лишние электроны, а положительный слой имеет дополнительное пространство для дырок. Электроны могут свободно перемещаться по стыку, где встречаются два слоя, что оставляет положительный заряд с одной стороны и отрицательный — с другой.

   Каждая ячейка выдает только около половины вольта, поэтому их необходимо соединить в модули, чтобы обеспечить питание дома. Для справки: для зарядки сотового телефона требуется 12 фотоэлементов, а для питания всего дома — несколько модулей (десятки или даже сотни отдельных ячеек).

   Солнечные панели более эффективно генерируют токи за счет расширенного диапазона изменяемых длин волн. Согласно Chemical & Engineering News, новые достижения в области солнечной энергетики могут поднять потолок максимальной эффективности кремниевых солнечных элементов.

3. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный: Солнечные элементы не способны самостоятельно обеспечивать электроэнергией дом — инвертор необходим для преобразования производимых ими токов в полезную электроэнергию. Электропитание, выходящее из панели, представляет собой постоянный ток (DC).Инвертор преобразует электричество постоянного тока в энергию переменного тока (AC), во время которого теряется небольшое количество энергии.

   Солнечные энергетические системы обычно имеют один инвертор для всей системы или микроинвертор, подключенный к каждой панели. В любом случае цель инвертора — преобразовать мощность постоянного тока в мощность переменного тока.

4. Доступно преобразованное электричество: От инвертора электричество переменного тока поступает во внешнюю цепь и, в конечном итоге, через ваш дом. Вы можете использовать вырабатываемую солнечными батареями электроэнергию для питания выключателей, бытовых приборов, телевизоров и других электрических систем вашего дома.Иногда солнечные панели производят больше энергии, чем нужно вам и вашей семье. Когда это происходит, электричество можно хранить в аккумуляторном блоке или продавать обратно в сеть.
5. Продавать или хранить дополнительную энергию: Избыточную энергию можно хранить с помощью солнечной батареи или продавать ее местному коммунальному предприятию через программу чистых измерений. Если вы предпочитаете, чтобы ваша система была отключена от сети, вам следует подумать о приобретении солнечной аккумуляторной батареи. Это дает вам круглосуточный доступ к электроэнергии, даже в пасмурные дни, когда солнечные батареи вырабатывают электроэнергию менее эффективно.Если первоначальная стоимость установки не является проблемой, вероятно, лучшим выбором будут аккумуляторные батареи.

   При использовании нетто-счетчиков коммунальная компания платит вам за производство электроэнергии. В зависимости от программы вашей местной коммунальной компании вы можете получить кредиты по счетам за избыточную мощность, которую ваши панели отправляют в сеть. Кредиты на производство электроэнергии помогают сэкономить на счетах, но вы не получите наличных за поставку электроэнергии в сеть.

Как производятся солнечные панели

Основным ингредиентом солнечных панелей является кремний, который получают из песка.После извлечения песка из карьеров его необходимо обработать и очистить. Чтобы отделить чистые кристаллы кремния, песок нагревают до температуры более 3600 градусов по Фаренгейту.

Поскольку кремний не является хорошим естественным проводником, процесс, называемый «легированием», намеренно добавляет примеси — обычно бор, который связывается с кремнием, создавая положительный заряд, и фосфор, который объединяется, чтобы создать отрицательный заряд. Затем кристаллический кремний плавится в слитки и тонко нарезается на листы размером с панель, называемые пластинами.

Кремний естественно блестящий, поэтому на него необходимо нанести антибликовое покрытие, чтобы свести к минимуму потери энергии. Наносится антибликовое покрытие, такое как диоксид титана, и приваривается. Затем высокотехнологичные компьютеры распыляют на панели слой полужидкого металла, который помогает передавать энергию от панели к вилкам и приборам, которые вам нужны.

Этот производственный процесс используется не только для изготовления кремниевых солнечных элементов. Кремниевые пластины также используются для изготовления интегральных схем и компьютерных микрочипов.Хотя фотоэлектрические панели являются разумным вариантом для домовладельцев, заботящихся об окружающей среде, процесс их изготовления не является полностью экологически чистым, поскольку для их производства требуется ископаемое топливо.

Некоторые солнечные элементы содержат перовскитное соединение, такое как гибридный органо-неорганический свинец, вместо кремния в качестве светособирающего активного слоя. Согласно исследованиям Управления по технологиям солнечной энергии, перовскитные элементы более эффективны, дешевле в производстве и проще в производстве.

В солнечных элементах космических спутников используются тонкопленочные технологии с использованием теллурида кадмия и аморфного кремния.Эти ячейки объединяются в сетку, образующую панель, способную поглощать солнечный свет и способствовать производству возобновляемой энергии.

Как долго служат солнечные панели?

Солнечные панели удивительно долговечны — они могут прослужить до 25 лет и более при минимальном обслуживании или вообще без него. Электроны — единственная движущаяся часть солнечного элемента, и все они возвращаются туда, откуда пришли. Однако, чтобы поддерживать оптимальную мощность, вам нужно регулярно чистить солнечные панели и заменять все поврежденные панели.

Большинство производителей солнечных панелей прогнозируют ежегодную деградацию примерно на 0,8%. Через 20 лет производство солнечной энергии должно составить около 84% от стандарта эффективности. Обычно на панели для жилых помещений предоставляется гарантия на производительность от 10 до 25 лет, которая может не покрывать весь срок службы вашей системы.

Известно, что некоторые кристаллические панели работают с относительно высокой эффективностью в течение 40 лет. По данным EnergySage, панели могут выдерживать даже ветер скоростью до 140 миль в час.Страхование солнечных батарей также включено в большинство страховых полисов домовладельцев для защиты от повреждений.

Солнечные фотоэлектрические инверторы и батареи не работают так долго. Вполне вероятно, что вам придется заменить и то, и другое в течение всего срока службы вашей системы. Солнечные фотоэлектрические инверторы могут прослужить от 10 до 15 лет. Вы можете рассчитывать на то, что хорошая солнечная батарея прослужит от восьми до 15 лет.

Как и панели, производительность аккумулятора и инвертора со временем может снизиться. Сравнивая солнечное оборудование, ищите бренды, которые включают гарантию и гарантию производительности.

Вопросы о солнечных батареях

Сэкономят ли солнечные панели деньги?

Да, солнечные панели экономят деньги. Большинство американцев, устанавливающих фотоэлектрические панели, экономят от 1000 до 2000 долларов в год на счетах за электричество. Чтобы выяснить, сколько денег можно сэкономить на солнечных батареях, вам необходимо принять во внимание средний ежемесячный счет за коммунальные услуги и общую стоимость оборудования вашего дома для работы на солнечной энергии.

EnergySage прогнозирует среднюю 20-летнюю экономию для дома в Вашингтоне (штат с облачным покровом выше среднего) в размере около 10 000 долларов, в то время как экономия для домов в Калифорнии приближается к 30 000 долларов.

Установка фотоэлектрических панелей обычно окупается в течение 5-10 лет. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии ожидает, что расходы на солнечные панели продолжат снижаться до 2030 года благодаря созреванию рынка, инновациям в продуктах, интеграции бизнес-моделей и экономии за счет масштаба.

Можете ли вы построить свои собственные солнечные батареи?

Нет, большинство людей не умеют строить собственные солнечные батареи. Слишком сложны технология и производственный процесс.

Почему постоянный ток вырабатывается солнечными панелями?

Солнечные панели вырабатывают электричество постоянного тока (DC), когда фотоны солнца разбивают электронику в кремниевом фотоэлементе.Как и обычные бытовые батареи, каждый солнечный элемент имеет положительный слой и отрицательный слой. Это создает электрическое поле постоянного тока, что означает, что поток в цепи движется в одном направлении. Поскольку большинство домов подключено к сети переменного тока, необходим инвертор для преобразования постоянного тока в полезную мощность.

Работают ли солнечные батареи ночью?

Солнечным модулям необходим солнечный свет для выработки электроэнергии, но ваша система может обеспечивать электроэнергию даже в темноте. С аккумуляторной батареей избыток энергии в течение дня сохраняется для дальнейшего использования, поэтому вы все равно можете работать на солнечной энергии, когда ваши панели не производят электричество.Если ваши солнечные панели на крыше не вырабатывают достаточно энергии для удовлетворения ваших потребностей в электроэнергии, вы все равно можете получать энергию из сети.

Начать Этикетка Уполномоченный партнер Название компании Логотип Контакты Резюме АВТОРИЗОВАННЫЙ ПАРТНЕР

90 PART382 Начать Этикетка Авторизованный партнер Название компании Логотип Контакты Резюме АВТОРИЗОВАННЫЕ

Итог: Как солнечные панели работают для домашнего использования?

Рынок солнечной энергии постоянно развивается и меняется в соответствии с растущим спросом на возобновляемые источники энергии.Установка солнечной энергетической системы в вашем доме — это устойчивый способ снизить затраты на электроэнергию и сократить выбросы углекислого газа. Однако это не для всех. Для получения дополнительной информации прочтите о стоимости солнечных панелей и сравните плюсы и минусы домашней солнечной установки.

Вы нашли эту статью полезной? ДА | НЕТ

Как член исследовательской группы ConsumerAffairs, Кэтрин Паркман считает, что каждый заслуживает легкий доступ к точной и исчерпывающей информации о продуктах и ​​компаниях до совершения покупки, поэтому она часами исследует компании и отрасли на предмет ConsumerAffairs.Она считает, что сознательное потребление — это ответственность каждого и что любой контент заслуживает целостности.

Как работают солнечные панели?

Переход на использование солнечной энергии в домашних условиях сейчас проще и доступнее, чем когда-либо прежде, поскольку в некоторых районах Канады в последние несколько лет наблюдается скачок в использовании солнечных электростанций в жилых домах.

Если вы думаете о том, чтобы сделать шаг в сторону возобновляемых источников энергии в собственном доме, но не чувствуете, что у вас достаточно информации о текущих разработках в области солнечных технологий, то эта статья для вас.Мы изложили некоторые основы использования солнечной энергии в жилых домах сегодня и рассказали, как эта технология применяется в Канаде и во всем мире.

О солнечной энергии — как это работает

Хотя особенности солнечной энергии, возможно, для некоторых домовладельцев являются техническими аспектами, основные принципы просты и легки для понимания. Стандартные солнечные панели — или фотоэлектрические (PV), как их называют технически, — генерируют электрический ток, улавливая световые частицы от солнца, называемые фотонами.Затем эти фотоны выбивают электроны в солнечных элементах панелей и создают электрический ток. Этот ток передается по проводам, ведущим к инвертору. Инвертор преобразует эту энергию в мощность переменного тока для вашего дома и может использоваться по всему дому различными способами.

Виды солнечных батарей

Сегодня на рынке представлено множество типов солнечных панелей. Хотя подавляющее большинство солнечных панелей изготовлено из кремния, неметаллического полупроводника, который используется для создания электрического тока, между различными типами солнечных элементов есть несколько существенных различий.

И монокристаллические, и поликристаллические солнечные панели сделаны из кремния, но они немного отличаются по своей конструкции. Монокристаллические панели состоят из кремния высочайшего качества и являются наиболее энергоэффективным и самым дорогим вариантом для жилых помещений. Поликристаллические фотоэлектрические панели изготавливаются из сырого кремния, расплавленного в формах. Поскольку в данном процессе используется не такой чистый кремний, он дешевле, чем производство монокристаллических панелей, и дешевле для домовладельцев.

Ленточные солнечные элементы типа String имеют тот же базовый состав, что и поликристаллические солнечные элементы, но сформированы из тонких нитей кремния и поэтому используют меньше кремния, чем другие традиционные солнечные панели. Этот процесс относительно сложен, поэтому цена панелей из струнной ленты выше, чем у моно- или поликристаллических ячеек.

Тонкопленочные солнечные элементы могут быть изготовлены из различных фотоэлектрических материалов, включая кремний, медь и кадмий. Эти панели идеально подходят для массового производства, но требуют больших площадей для обеспечения максимальной эффективности, поэтому они не идеальны для солнечных панелей в жилых домах.

Солнечная техника в 2017 году

По данным Canadian Solar Industries Association, Канада достигла более 2500 мегаватт совокупной мощности солнечной энергии в конце 2015 года и вошла в список 10 ведущих национальных рынков солнечной энергии. Эти статистические данные в сочетании с некоторыми захватывающими текущими достижениями в области солнечной энергетики демонстрируют, что эта форма возобновляемой энергии желательна, управляема и применима как для жилых, так и для промышленных районов по всей Канаде.

Программа CanmetENERGY, финансируемая и управляемая Natural Resources Canada, направлена ​​на внедрение и развитие возобновляемых источников энергии как по всей стране, так и за ее пределами.Их текущие проекты включают исследования в зданиях и домах с чистой нулевой энергией (например, проект EcoTerra в Алуетте, Квебек), строительство интегрированных фотоэлектрических систем, солнечная энергия на уровне сообществ (включая первый солнечный район Канады), а также постоянные исследования и разработку национальных стандартов и аккредитацию для солнечная энергия.

Лучшие варианты солнечной энергии для вашего дома

Прежде чем вы примете решение об инвестировании в солнечные панели для вашего дома, вам необходимо учесть несколько факторов.Как обсуждалось выше, существует относительно большое разнообразие типов солнечных панелей на выбор, поэтому важно, чтобы вы обсудили свои личные потребности в энергии и бюджет со своим специалистом по солнечной энергии, прежде чем принимать окончательное решение.

Ваш профессионал также сможет подсказать вам наилучший угол, направление и размер, требуемый для того, чтобы ваши солнечные панели достигли максимальной производительности. Вообще говоря, панель на 5 киловатт, вероятно, подойдет для семейного дома.

. Если стоимость является проблемой, существует несколько государственных грантов и общественных проектов по солнечной энергии, которые могут помочь распределить стоимость ваших солнечных панелей в течение определенного периода времени — в некоторых районах даже есть местные солнечные парки, к которым могут получить доступ члены сообщества. по гораздо более низкой цене.

Как работают фотоэлектрические системы? | Управление научной миссии

Гил Книр

назад к рассказу Science @ NASA «Край солнечного света»

Что такое фотовольтаика?

Фотогальваника — это прямое преобразование света в электричество на атомарном уровне. Некоторые материалы проявляют свойство, известное как фотоэлектрический эффект, которое заставляет их поглощать фотоны света и высвобождать электроны.Когда эти свободные электроны захватываются, возникает электрический ток, который можно использовать в качестве электричества.

Фотоэлектрический эффект впервые был отмечен французским физиком Эдмундом Бекерелем в 1839 году, который обнаружил, что некоторые материалы производят небольшой электрический ток при воздействии света. В 1905 году Альберт Эйнштейн описал природу света и фотоэлектрический эффект, на котором основана фотоэлектрическая технология, за что позже получил Нобелевскую премию по физике. Первый фотоэлектрический модуль был построен Bell Laboratories в 1954 году.Его выставляли как солнечную батарею, и это было просто любопытством, так как было слишком дорого, чтобы получить широкое распространение. В 1960-х годах космическая промышленность впервые начала серьезно использовать эту технологию для обеспечения энергии на борту космических кораблей. Благодаря космическим программам технология продвинулась, была подтверждена ее надежность, а стоимость стала снижаться. Во время энергетического кризиса 1970-х годов фотоэлектрические технологии получили признание в качестве источника энергии для не космических приложений.

Схема выше иллюстрирует работу базового фотоэлектрического элемента, также называемого солнечным элементом.Солнечные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, которые используются в промышленности микроэлектроники. В солнечных элементах тонкая полупроводниковая пластина специально обрабатывается для образования электрического поля, положительного с одной стороны и отрицательного — с другой. Когда световая энергия попадает в солнечный элемент, электроны отрываются от атомов в полупроводниковом материале. Если электрические проводники присоединены к положительной и отрицательной сторонам, образуя электрическую цепь, электроны могут быть захвачены в виде электрического тока, то есть электричества.Затем это электричество можно использовать для питания нагрузки, такой как свет или инструмент.

Ряд солнечных элементов, электрически соединенных друг с другом и установленных в опорной конструкции или раме, называется фотоэлектрическим модулем. Модули предназначены для подачи электроэнергии на определенное напряжение, например в обычную систему на 12 вольт. Производимый ток напрямую зависит от того, сколько света попадает на модуль.

Несколько модулей могут быть соединены вместе, чтобы сформировать массив.Как правило, чем больше площадь модуля или массива, тем больше электроэнергии будет производиться. Фотоэлектрические модули и массивы вырабатывают электроэнергию постоянного тока. Их можно подключать как последовательно, так и параллельно, чтобы получить любую требуемую комбинацию напряжения и тока.

В наиболее распространенных сегодня фотоэлектрических устройствах используется один переход или интерфейс для создания электрического поля в полупроводнике, таком как фотоэлемент. В однопереходной фотоэлектрической ячейке только фотоны, энергия которых равна ширине запрещенной зоны материала ячейки или превышает ее, могут освободить электрон для электрической цепи.Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходных ячеек ограничен той частью солнечного спектра, энергия которой превышает ширину запрещенной зоны поглощающего материала, и фотоны с более низкой энергией не используются.

Одним из способов обойти это ограничение является использование двух (или более) разных ячеек с более чем одной запрещенной зоной и более чем одним переходом для генерации напряжения. Их называют «многопереходными» ячейками (также называемыми «каскадными» или «тандемными» ячейками). Многопереходные устройства могут обеспечить более высокую общую эффективность преобразования, поскольку они могут преобразовывать большую часть энергетического спектра света в электричество.

Как показано ниже, многопереходное устройство представляет собой набор отдельных ячеек с одним переходом в порядке убывания ширины запрещенной зоны (например). Верхняя ячейка улавливает фотоны с высокой энергией и пропускает остальные фотоны для поглощения ячейками с более низкой запрещенной зоной.

Большая часть сегодняшних исследований многопереходных клеток сосредоточена на арсениде галлия как на одном (или на всех) составных элементах. Такие клетки достигли эффективности около 35% при концентрированном солнечном свете. Другими исследованными материалами для многопереходных устройств были аморфный кремний и диселенид меди, индия.

В качестве примера, в многопереходном устройстве ниже используется верхняя ячейка из фосфида галлия-индия, «туннельный переход», чтобы способствовать потоку электронов между ячейками, и нижняя ячейка из арсенида галлия.

Â

назад к рассказу Science @ NASA «Край солнечного света»

---

Присоединяйтесь к нашему растущему списку подписчиков — подпишитесь на нашу экспресс-доставку новостей , и вы будете получать сообщение по электронной почте каждый раз, когда мы публикуем новую историю !!!

Подробнее Заголовки

---

КОНЕЦ

Как работают солнечные элементы | HowStuffWorks

Кремний обладает некоторыми особыми химическими свойствами, особенно в его кристаллической форме.У атома кремния 14 электронов, расположенных в трех разных оболочках. Первые две оболочки, содержащие два и восемь электронов соответственно, полностью заполнены. Однако внешняя оболочка заполнена всего лишь наполовину с четырьмя электронами. Атом кремния всегда будет искать способы заполнить свою последнюю оболочку, и для этого он поделится электронами с четырьмя соседними атомами. Это похоже на то, как каждый атом держится за руки со своими соседями, за исключением того, что в этом случае у каждого атома четыре руки, соединенные с четырьмя соседями.Это то, что образует кристаллическую структуру , и эта структура оказывается важной для этого типа фотоэлементов.

Единственная проблема заключается в том, что чистый кристаллический кремний является плохим проводником электричества, потому что ни один из его электронов не может свободно перемещаться, в отличие от электронов в более оптимальных проводниках, таких как медь. Чтобы решить эту проблему, кремний в солнечном элементе содержит примесей, — другие атомы, специально смешанные с атомами кремния, — что немного меняет способ работы.Обычно мы думаем о примесях как о чем-то нежелательном, но в этом случае наша клетка не будет работать без них. Рассмотрим кремний с атомами фосфора кое-где, может быть, один на каждый миллион атомов кремния. На внешней оболочке фосфора пять электронов, а не четыре. Он по-прежнему связывается со своими соседними атомами кремния, но в некотором смысле у фосфора есть один электрон, которому не с кем держаться за руки. Он не является частью связи, но в ядре фосфора есть положительный протон, удерживающий его на месте.

Когда к чистому кремнию добавляется энергия, например, в виде тепла, это может заставить несколько электронов вырваться из своих связей и покинуть свои атомы. В каждом случае остается дыра. Эти электроны, называемые свободными носителями , затем беспорядочно блуждают по кристаллической решетке в поисках другой дыры, в которую можно упасть и провести электрический ток. Однако в чистом кремнии их так мало, что они не очень полезны.

Но с нашим нечистым кремнием с примесью атомов фосфора — совсем другое дело.Чтобы выбить один из наших «лишних» электронов фосфора, требуется гораздо меньше энергии, потому что они не связаны связью с какими-либо соседними атомами. В результате большая часть этих электронов вырывается, и у нас намного больше свободных носителей, чем было бы в чистом кремнии. Процесс преднамеренного добавления примесей называется легированием , а при легировании фосфором образующийся кремний называется N-типа («n» — отрицательный) из-за преобладания свободных электронов. Кремний с примесью N-типа является проводником намного лучше, чем чистый кремний.

Другая часть типичного солнечного элемента легирована бором, который имеет только три электрона на внешней оболочке вместо четырех, чтобы стать кремнием P-типа. Вместо свободных электронов, P-типа («p» для положительного) имеет свободные отверстия и несет противоположный (положительный) заряд.

На следующей странице мы более подробно рассмотрим, что происходит, когда эти два вещества начинают взаимодействовать.

Как солнечная энергия работает с солнечными панелями?

1. Солнечные панели на крыше загорают на солнце.
   • Эти блестящие солнечные панели, которые вы видите повсюду … это их шанс засиять. Но как работают солнечные панели? Когда солнечный свет попадает на солнечные элементы на солнечной панели на крыше, он преобразует частицы солнечного света (фотоны) в электроны электричества постоянного тока (DC).
2. Преобразование электричества.
   • Солнечный инвертор — коробка, обычно устанавливаемая с внешней стороны вашего дома — изменяет электричество с постоянного на переменный (переменный ток).Почему изменение? Что ж, сеть США настроена на электричество переменного тока. Это означает, что телевизоры, компьютеры, бытовая техника … почти все работает от электричества переменного тока.
3. Ваш солнечный счетчик в работе.
   • При установке солнечных батарей также устанавливается солнечный счетчик. Счетчик Sunrun, например, позволяет нам контролировать производство солнечной энергии вашей системой, выявлять любые потенциальные проблемы и устранять их — обычно до того, как вы заметите проблему.
4. Позвольте этому течь, позвольте этому течь, позвольте этому течь.
   • Солнечное электричество от инвертора проходит через сервисную панель в ваш дом или в сеть.
5. Сетевой счетчик сообщает коммунальной компании.
   • Тот факт, что у вас есть солнечные батареи, не означает, что ваша старая коммунальная компания полностью исключена из поля зрения. Вы по-прежнему будете использовать от них некоторую силу. Наши солнечные панели по-прежнему собирают дневной свет в дождливые или пасмурные дни, но они могут не вырабатывать столько энергии. Ночное время — еще один пример того, когда вашему дому может потребоваться электроэнергия от коммунальной компании.Вот тут-то и пригодится счетчик нетто. Ваша коммунальная компания использует его для считывания количества электроэнергии, которую вы потребляете от сети в то время, когда ваша солнечная система не так активна. Но он также отслеживает электричество, которое поступает в сеть из вашей солнечной системы, когда она массово выкачивает чистую природную энергию. Итак, если ваша солнечная система производит больше энергии, чем вы израсходовали, вы получаете кредит на свой счет. Если у вас достаточно накопленного дополнительного кредита, вы можете перенести свой счет вперед на срок до года.

Теперь вы знаете, как работает солнечная энергия, но сколько денег вы действительно можете сэкономить? Недавнее исследование показало, что в 50 крупнейших городах Америки клиенты, инвестировавшие в солнечную систему мощностью 5 кВт, сэкономили в среднем от 44 до 187 долларов в месяц в течение первого года владения своей системой *. Очень впечатляет!

Получите бесплатное предложение сегодня и узнайте, как начать экономить электроэнергию и деньги для своего дома.

Как работают солнечные панели?

Солнечная энергия имеет решающее значение для нашего выживания как вида, и, к счастью, отрасль процветает.С тех пор, как Конгресс принял налоговую льготу в 2006 году, Ассоциация индустрии солнечной энергии (SEIA) заявляет, что за последнее десятилетие солнечная промышленность в среднем показывала темпы роста 50 процентов. В большинстве областей это будут макро-новости. Но у солнечной энергии есть миссия, выходящая за рамки зарабатывания денег — она ​​должна спасти планету.

Нет никакого плана по предотвращению антропогенного глобального потепления от постоянного искажения климата Земли без солнечных панелей и энергии, которую они могут преобразовать. «Роль возобновляемых источников энергии в смягчении последствий изменения климата доказана», — заявляет Программа развития Организации Объединенных Наций.Некоторые представители отрасли считают, что к 2050 году отрасль солнечной энергетики вырастет на 6500 процентов, чтобы удовлетворить эту потребность.

Этот контент импортирован из {embed-name}. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Но, несмотря на всю свою важность, солнечные батареи по-прежнему кажутся загадочными. Жесткие и слегка угрожающие черные прямоугольники, они не выглядят и не похожи на спасителей. Величественные водопады и плотины выглядят героически, а вот солнечные батареи — нет.Итак, каковы их внутренние механизмы и как на самом деле работают солнечные батареи?

Как работают солнечные панели?

Чтобы понять, как кремниевые солнечные панели производят электричество, вы должны подумать на атомном уровне. Кремний имеет атомный номер 14, что означает, что в его центре 14 протонов и 14 электронов вращаются вокруг этого центра. Используя классический образ атомных кругов, вокруг центра движутся три круга. Самый внутренний круг заполнен двумя электронами, а средний круг — восемью.

Pramote Полиамат Getty Images

Однако крайний круг, содержащий четыре электрона, наполовину заполнен. Это означает, что он всегда будет стремиться заполниться с помощью ближайших атомов. Когда они соединяются, они образуют так называемую кристаллическую структуру.

Поскольку все эти электроны протягиваются и соединяются друг с другом, у электрического тока не так много места для движения. Вот почему кремний, содержащийся в солнечных батареях, не чистый, он смешан с другим элементом, например, фосфором.Внешний круг из фосфора состоит из пяти электронов.

Этот пятый электрон становится так называемым «свободным носителем», способным переносить электрический ток без особых усилий. Ученые увеличивают количество свободных носителей, добавляя примеси в процессе, называемом легированием. В результате получился кремний N-типа.

Кремний N-типа — это то, что находится на поверхности солнечной панели. Ниже находится его зеркальная противоположность — кремний P-типа. В то время как кремний N-типа имеет один дополнительный электрон, P-тип использует примеси из таких элементов, как галлий или бор, которые имеют на один электрон меньше.Это создает еще один дисбаланс, и когда солнечный свет попадает на P-тип, электроны начинают двигаться, заполняя пустоты друг в друге. Уравновешивающее действие, которое повторяется снова и снова, генерируя электричество.

Что делает солнечная панель?

Солнечные элементы сделаны из кремниевых пластин. Они сделаны из кремния, твердого и хрупкого кристаллического вещества, которое является вторым по распространенности элементом в земной коре после кислорода и естественным образом преобразует солнечный свет в электричество.

Кремний, как и другие кристаллы, можно выращивать. Ученые, подобные тем, что работают в Bell Labs, выращивают кремний в трубке как единый однородный кристалл, разворачивая трубку и разрезая полученный лист на так называемые пластины.

«Визуализируйте круглую палку», — говорит Викрам Аггарвал, основатель и генеральный директор EnergySage, торговой площадки для сравнения солнечных батарей, Popular Mechanics . Эта палочка нарезается как «пепперони, тонко нарезанный рулет салями для бутербродов — они очень тонко бреют их», — говорит он.Вот где исторически было очень сложно — либо слишком толстые, либо отходы, либо слишком тонкие, что делало их неточными и склонными к растрескиванию ».

Резервная копия Авангарда 1, первого в истории спутника, использующего солнечную энергию. Резервная копия покоится в Смитсоновском музее авиации и космонавтики.

Смитсоновский музей авиации и космонавтики.

Они стараются сделать эти вафли как можно более тонкими, чтобы получить как можно больше пользы от своего кристалла.Этот тип солнечных элементов сделан из монокристаллического кремния.

Хотя первые солнечные элементы внешне напоминают сегодняшние, есть ряд отличий. В Bell Labs изначально надеялись, что солнечные элементы будут полезны для грядущей космической гонки, — рассказывает Роберт Марголис, старший энергетический аналитик Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), федеральной лаборатории в Голдене, штат Колорадо, посвященной возобновляемым источникам энергии. Популярная механика . Таким образом, было важно снизить вес.Фотоэлементы, как они стали называться, были помещены в легкий корпус.

И это сработало. Всего через четыре года после разработки первого работающего солнечного элемента, 17 марта 1958 года, Лаборатория военно-морских исследований построила и запустила первый в мире спутник на солнечной энергии — Vanguard 1.

Краткая история солнечных панелей

Цифровая библиотека Gallica

Работа в области солнечной энергии началась в 1839 году, когда молодой французский физик Эдмон Беккерель открыл то, что сейчас известно как фотоэлектрический эффект.Беккерель работал в семейном бизнесе — его отец, Антуан, был известным французским ученым, который все больше интересовался электричеством, — когда он сделал свое открытие.

Эдмонда интересовало, как работает свет, и когда ему было всего 19 лет, их интересы совпали — он обнаружил, что электричество можно производить с помощью солнечного света. (Кстати, это также привело его к созданию первой в мире цветной фотографии).

Шли годы, и технология делала небольшие, устойчивые шаги.В 1940-х годах такие ученые, как Мария Телкес, экспериментировали с использованием сульфатов натрия для хранения энергии солнца, чтобы создать Dover Sun House. При исследовании полупроводников инженер Рассел Шумейкер Очс исследовал образец кремния с трещиной и заметил, что он проводит электричество, несмотря на трещину.

Но самый большой скачок произошел 25 апреля 1954 года, когда химик Кэлвин Фуллер, физик Джеральд Пирсон и инженер Дэрил Чапин показали, что они построили первый практический кремниевый солнечный элемент.

Как и Охс, это трио работало в Bell Labs и раньше взяло на себя задачу создания такого баланса. Чапин пытался создать источники питания для удаленных телефонов в пустынях, где разрядятся обычные батарейки. Пирсон и Фуллер работали над контролем свойств полупроводников, которые позже будут использоваться для питания компьютеров. Зная о работе друг друга, все трое решили сотрудничать.

Через год после создания первого работающего солнечного элемента Bell Labs нашла практическое применение этой технологии.Здесь мастер по ремонту кабелей в Джорджии устанавливает панели для первого в истории телефонного разговора на солнечной энергии 4 октября 1955 года.

Bell Labs

Эти самые ранние солнечные элементы были «в основном собранными вручную устройствами», — говорит Марголис.

Панели солнечных батарей сегодня

В настоящее время фотоэлектрические элементы производятся серийно и разрезаются лазерами с большей точностью, чем мог представить любой ученый из Bell Labs. Хотя они используются в космосе, они нашли гораздо больше цели и ценности на Земле.Поэтому вместо того, чтобы делать упор на вес, производители солнечных батарей теперь делают упор на прочность и долговечность. Прощай, легкий герметик, привет, стекло, выдерживающее непогоду.

Один из основных приоритетов любого производителя солнечной энергии — это эффективность: сколько солнечного света, попадающего на каждый квадратный метр солнечной панели, можно преобразовать в электричество. Это «основная математическая задача», которая лежит в основе всего производства солнечной энергии, — объясняет Аггарвал. Здесь эффективность означает, сколько солнечного света можно должным образом преобразовать с помощью кремния P- и N-типа.

Рабочие в Калифорнии устанавливают солнечные батареи на крыше. Эффективность имеет решающее значение для получения от них максимальной мощности.

Джо Сом / Видения Америки / Universal Images Group Getty Images

«Допустим, у вас есть 100 квадратных футов на крыше», — гипотетически говорит Аггарвал. «В этом ограниченном пространстве, если эффективность панелей составляет 10 процентов, это меньше 20 процентов. Эффективность означает, сколько электронов они могут произвести на квадратный дюйм кремниевых пластин.Чем они эффективнее, тем больше экономичности они могут принести ».

Около десяти лет назад, по словам Марголиса, эффективность использования солнечной энергии колебалась на уровне 13 процентов. В 2019 году эффективность использования солнечной энергии выросла до 20 процентов. Наблюдается явная тенденция к росту, но тот, в котором говорится, что у Марголиса есть предел с кремнием. Из-за природы кремния как элемента верхний предел солнечных панелей составляет 29 процентов.

---

Лучшие солнечные панели

Лучший выбор

Монокристаллическая солнечная панель мощностью 160 Вт

Если вы не совсем уверены, с чего начать, эта солнечная панель — надежный вариант.Он относительно недорогой (солнечные панели можно быстро достать и ), и он работает. Он изготовлен из ПЭТ, ЭВА и монокристаллического кремния, обладает антибликовым покрытием и высокой прозрачностью. Он также прост в использовании и имеет компактный размер, что позволяет легко хранить, когда в нем нет необходимости.

Лучшее при слабом освещении

Монокристаллическая складная солнечная панель DOKIO

Если вы живете в местах с плохим освещением, вы можете беспокоиться, что солнечные батареи не для вас, но они действительно отлично работают в условиях низкой освещенности.Фотоэлектрическая панель с высокой эффективностью преобразования мощностью 100 Вт может заряжать батареи 12/24 В и поставляется в комплекте с портативным складным чемоданом. Его легко взять с собой в дорогу, если вы в походе, и легко хранить, если вы используете его дома, на случай отключения электроэнергии.

Лучшая трата

Renogy Монокристаллическая солнечная панель мощностью 300 Вт

Если вы действительно хотите сделать все возможное, вы не ошибетесь с 10-элементными 300-ваттными солнечными панелями Renology.Они способны выдерживать сильный ветер и снеговые нагрузки, обладают антибликовым покрытием и чрезвычайно универсальны. Они идеально подходят для жилых или коммерческих крыш, но они также совместимы с наземным креплением.

Лучшее для начинающих

Renogy, стартовый комплект для монокристаллической солнечной энергии мощностью 100 Вт, 12 вольт

Любой, кто плохо знаком с солнечными батареями, должен начать с хорошего комплекта, такого как этот от Renology. Вы получите все необходимое в одном устройстве, в том числе солнечную панель мощностью 100 Вт, контроллер отрицательного заряда заземления с ШИМ 30 А, разъемы MC4, кабель для лотка 8 футов 10 AWG и монтажные Z-образные кронштейны для дома на колесах или лодки.Он может полностью зарядить батарею на 50 Ач с 50% за 3 часа.

---

Несмотря на эти достижения, есть некоторые внешние силы, которые временно сдерживают рост производства солнечных панелей. До начала пандемии COVID-19 в начале этого года солнечные панели на крышах составляли около 40 процентов от общего мирового рынка. Но из-за личного финансового бремени, которое ложится на потребителей, многие из которых не имеют работы и не могут получить своевременный доступ к пособиям по безработице, аналитики прогнозируют, что солнечная промышленность будет иметь стабильный рост в течение 2020 года, согласно исследованию Вуд Маккензи. фирма.

Итак, что же нам дальше?

Солнечное будущее

Некоторые ученые работают над использованием новых материалов. Есть минерал, известный как перовскит, который Аггарвал описывает как «очень захватывающий». Впервые обнаруженный на Урале на западе России, перовскит вызвал удивление при испытаниях — с 10 процентов эффективности в 2012 году до 20 процентов в 2014 году. Его можно производить искусственно из обычных промышленных металлов, что упрощает поиск, и для этого используются более простые методы. процесс, чем балансирующий танец кремния типа P и N для проведения электричества.

Но и Аггарвал, и Марголис предупреждают, что технология все еще находится на начальной стадии. «Эффективность лаборатории быстро выросла, но есть разница между лабораторией и реальным миром», — говорит Марголис. В то время как перовскит продемонстрировал большой прогресс в чистой окружающей среде, он быстро снижается при попадании в такие элементы, как вода, с которыми он может столкнуться при повседневном использовании.

Профессор Чарльз Чи Сурья из Политехнического университета Гонконга позирует с тандемным солнечным элементом из перовскита и кремния, который имеет одни из самых высоких в мире показателей эффективности.

К. Я. Ченг / South China Morning Post через Getty Images, Getty Images

Марголис и его команда работают не над новыми материалами, а над концепцией, которую он называет «солнечный плюс». По мере увеличения использования солнечной энергии появляется потенциал для улучшения того, как «солнечная энергия взаимодействует с другими зданиями в целом», — объясняет он.

Представьте, что в городе очень жаркое лето. Вы идете в офис по работе, а вечером возвращаетесь домой. Здесь жарко и влажно, поэтому вы включаете кондиционер, как и все жители города.Электрическая сеть становится напряженной.

Но Марголис считает, что можно хранить и использовать солнечную энергию, чтобы уменьшить напряжение. «За два часа до того, как вы вернетесь домой, когда солнце еще светит, кондиционер может заранее запустить и охладить ваш дом». То же самое происходит в холодную зиму, когда трубы могут замерзнуть. «Вы можете сильно нагреть воду в жаркий день и по-прежнему использовать эту горячую воду для мытья посуды или принятия душа на следующее утро … мы только начинаем думать о том, как интегрировать солнечную энергию в нашу систему.«

Несмотря на борьбу с преобладанием солнечной энергии, например, конкуренцию со стороны природного газа и политический климат, благоприятствующий ископаемым видам топлива, Марголис оптимистичен.« Мы находимся на том этапе, когда коммунальные предприятия и инженеры понимают, что солнечная энергия становится достаточно большой, и мы должны справиться с этим, — говорит он.