В мире наблюдается постоянный рост потребления электроэнергии, а запасы традиционных источников энергии уменьшаются. Поэтому постепенно растёт спрос на оборудование, которые вырабатывает электричество, используя нетрадиционные источники сырья. Одним из наиболее распространённых способов получения электричества являются солнечные батареи, работающие от энергии солнца. В их составе работают фотоэлектрические элементы, свойства которых позволяют преобразовывать солнечное излучение в электрический ток. Для их изготовления используется один из самых распространённых на Земле химических элементов – кремний. В этом материале мы поговорим о том, как кремний превращается в фотоэлектрические элементы. Проще говоря, мы рассмотрим, что представляет собой производство солнечных батарей, и какое оборудование для этого требуется.

В сфере производства солнечных батарей уже сформировался довольно большой рынок, на котором присутствуют крупные компании. Здесь уже вращаются миллионы долларов и есть бренды, заработавшие репутацию производителей качественной продукции. Имеется в виду как мировой рынок, так и российский. Технологии, положенные в основу производства солнечных батарей, совершенствуются по мере развития научных исследований в этом направлении. Сейчас выпускаются солнечные батареи самых разных размеров и назначения. Есть совсем маленькие, используемые в калькуляторах и . А есть крупные панели, применяемые в гелиосистемах и . Один фотоэлемент имеет небольшую мощность и вырабатывает совсем небольшой ток. Поэтому их объединяют в . Теперь рассмотрим, как производятся фотоэлементы.

Прежде всего, стоит сказать, что на выходе производители получают три вида фотоэлементов:

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Из аморфного кремния.

Монокристаллические пластины солнечных элементов можно визуально отличить по однородности расцветки. При их производстве из исходного сырья (кремния) в результате температурной плавки получают слиток монокристаллического кремния. Он имеет высокую степень чистоты и однородность кристаллической решётки.

Поликристаллические элементы производятся проще. При их создании нет цели вырастить слиток из одного кристалла и добиться высокой однородности структуры. Они имеют меньшую стоимость, но расплачиваются за это меньшим КПД. Визуально их можно отличить по неоднородной расцветке.

И ещё один тип фотоэлементов выполняются из аморфного кремния. Для получения некоторых характеристик в него добавляют различные микроэлементы и наночастицы. Производство из этого типа кремния в основном ориентировано на выпуск гибких солнечных батарей. Этот тип панелей имеет самый низкий КПД.

В результате температурной обработки кремния получают бруски цилиндрической формы. Из него нарезают пластины малой толщины. В результате этой операции на поверхности пластин появляются повреждения, которые удаляются травлением и текстурированием. Это необходимо для того, чтобы улучшить поглощение светового излучения. После такой обработки на поверхности кремниевых пластин образуются микроскопические пирамиды, расположенные хаотичным образом. При попадании на них свет отражается на боковые поверхности других таких пирамид. Разрыхление текстуры снижает отражающую способность примерно на четверть. Сам процесс травления представляет собой ряд последовательных обработок щелочами и кислотами. Как говорят, специалисты, здесь нельзя перестараться и протравить лишнего. Слой тонкий и пластина может оказаться непригодной для дальнейшего использования.

Сама технология производства фотоэлементов основана на использовании p-n перехода. В пластине фотоэлемента совмещается дырочная и электронная проводимость, p и n-типа, соответственно. Такая конструкция имеет свойства быть барьером и пропускания электрического тока в одном направлении. На этом и основана работа солнечных батарей.

Для укладки на кремниевую пластину полупроводника n-типа на производстве используется фосфорная диффузия. Этот слой находится у поверхности пластины, уходя в глубину примерно на 0,5 мкм. В результате под действием солнечного света носители заряда противоположного знака проникают на небольшую глубину. Это сделано специально для того, чтобы путь к зоне p-n перехода быть максимально быстрым. В противном случае они могут погасить друг друга при встрече. В этом случае они не генерируют электрического тока, а значит, расходуются впустую.

В результате диффузии происходит замыкание между лицевой поверхностью пластины с решёткой для съёма тока и обратной стороной, являющейся сплошным контактом. Для удаления этого замыкания применяются различные технологии. Это может быть плазмохимическое или химическое травление. И также это может выполняться лазером или механическим способом. С помощью плазмохимического травления замыкание удаляется сразу для стопки кремниевых пластин. Результат этой процедуры во многом зависит от времени обработки, химического состава, площади поверхности элементов и многих других факторов.

Затем на поверхность пластины наносится текстура для уменьшения отражения. Если этого не сделать, то 10% солнечных лучей отразятся и не будут принимать участия в генерации электрического тока. Покрытие используется для глубокого проникновения света, которое препятствует их отражению обратно.

При создании металлизированной сетки с лицевой стороны пластин представляет собой сложную задачу. С одной стороны минимум оптических потерь достигается, если линии сетки тонкие и расположены на существенном расстоянии друг от друга. Если сделать сетку больше, то часть зарядов не будет достигать контакта и будут теряться вхолостую. С другой стороны, если полосы сетки будут слишком тонкими, то пространства для поглощения света будет много.

Но тонкие линии не могут проводить большой ток. Поэтому ищется «золота середина». Есть стандартизированные значения размеров линий и расстояния между ними для различных металлов. Технология металлизация основана на трафаретном печатании. В качестве материала чаще всего используется паста с содержанием серебра. Благодаря её использованию КПД пластин может быть увеличен до 15 процентов.

Теперь, давайте, рассмотрим производство солнечных батарей на этапе сборки их из полученных фотоэлементов.

Производство солнечных батарей

Производство солнечных батарей можно разделить на следующие основные этапы:

• Тестирование. На этом этапе проводится замер электрических характеристик. Для этого используются вспышки мощных ксеноновых ламп. На основании результатов испытаний фотоэлементы сортируют и направляют на следующую стадию производства;
• На второй стадии производства выполняется пайка элементов в секции. Из них формируются секции на стеклянной подложке. Собранные секции переносятся на стекло с помощью вакуумных захватов. Это обязательное требование для исключения механического или иного воздействия на поверхность пластин. Блоки обычно включают в себя 4-6 секций. Секции, в свою очередь, состоят из 9-10 фотоэлектрических панелей;
• Следующий этап производства – ламинирование. Соединённые с помощью пайки блоки фотоэлементов ламинируют при помощи этиленвинилацетатной плёнки. А также наносится специальное защитное покрытие. Все это делается на оборудовании с ЧПУ. Компьютер следит за такими характеристиками, как давление, температура и др. В зависимости от используемого материала, параметры ламинирования можно изменять;
• И завершающий этап заключается в изготовлении рамки из алюминиевого профиля и специальной соединительной коробки. Чтобы обеспечить надёжность соединения применяют клей-герметик. На этом же этапе производства проводится тестирование солнечных батарей. При этом измеряются токи короткого замыкания, выдаваемые напряжение (рабочее и холостого хода), сила тока.

Используемое оборудование

Солидные производители используют при производстве солнечных батарей современное оборудование с программным управлением. Такой подход обеспечивает минимальную погрешность и разброс параметров собираемых солнечных батарей. Кроме того, компьютерное оборудование позволяет проводить более точное и полное тестирование. В результате уменьшается количество брака и увеличивается срок службы батарей.

Давайте, перечислим оборудование, используемое для производства.

• Столы для перемещения сборок. На этих столах выполняется обрезка, укладка элементов, присоединение соединительной коробки и так далее. Подобные столы имеют неметаллические шарики на поверхности столешницы. Это даёт возможность легко перемещать сборки и не повреждать элементы;
• Ламинатор. Это оборудование используется для ламинации и все параметры настраиваются в специальном программном обеспечении для автоматической работы. Хотя возможен и ручной режим работы;
• Инструмент для резки ячеек. Резка выполняется с помощью волоконного лазера. Параметры также задаются программным путём;
• Оборудование для чистки стеклянных подложек. Процедура проходит в несколько этапов. Сначала используются нейлоновые щётки и моющее средство. Затем проводится поэтапное полоскание деионизированной водой. После этого проводится сушка горячим и холодным воздухом.

Крупные производители солнечных батарей

Производство солнечных панелей и готовых гелиосистем является прибыльным и перспективным делом. Число приобретаемых батарей растёт из года в год. В результате имеется постоянный рынок сбыта, на который обращают внимание многие крупные производители.

В первую очередь этот рынок осваивают фирмы из Китая. Низкой стоимостью они выдавливают с рынка все остальные компании. Так, из-за китайской экспансии были вынуждены свернуть производство четыре немецкие компании среднего размера, а также один американский производитель. Работы в этом направлении закрыли Сименс и Бош. Результат закономерен, поскольку солнечные батареи, сделанные в Китае, стоят в два раза европейской и американской продукции.

Среди мировых производителей можно назвать следующие крупные компании, выпускающие солнечные батареи:

• Yingli Green Energy. Ежегодно компания выпускает солнечных батарей общей мощностью 2 гигаватта. Они выпускают батареи из монокристаллических и поликристаллических элементов;
• First Solar. Они были вынуждены закрыть предприятие в Германии, но всё равно являются одними из самых крупных в мире. Выпускают панелей в год общей мощностью 3,5 гигаватт;
• Suntech Power Ко. Это китайский гигант, производящий продукции на 1,8 гигаватт. Их производственные мощности находятся в восьмидесяти странах мира.

Солнечные батареи российского производства выпускают следующие компании:

• ООО «Хевел» (Новочебоксарск);
• «Телеком-СТВ» (Зеленоград);
• ЗАО «Термотрон-завод»;
• ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» (Рязань).

В странах бывшего СССР также можно встретить немало производств. К примеру, в Астане. Причём для производства используется местный кремний. При строительстве на предприятии было установлено современное оборудование. Аналогичное предприятие собираются построить в Узбекистане. Причём строительство также ведут китайские производители.
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.

Опубликовано в

При постоянно растущих ценах на электроэнергию поневоле начнешь задумываться об использовании природных источников для электроснабжения. Одна из таких возможностей — солнечные батареи для дома или дачи. При желании они могут обеспечить полностью все потребности даже большого дома.

Устройство системы электропитания от солнечных батарей

Преобразовывать энергию солнца в электричество – эта идея длительное время не давала спать ученым. С открытием свойств полупроводников это стало возможным. В солнечных батареях используются кремниевые кристаллы. При попадании на них солнечного света в них образуется направленное движение электронов, которое называется электрическим током. При соединении достаточного количества таких кристаллов получаем вполне приличные по величине токи: одна панель площадью чуть больше метра (1,3-1,4 м2 при достаточном уровне освещенности может выдать до 270 Вт (напряжение 24 В).

Так как освещенность меняется в зависимости от погоды, времени суток, напрямую подключать устройства к солнечным батареям не получается. Нужна целая система. Кроме солнечных панелей требуется:

• Аккумулятор. На протяжении светового дня под воздействием солнечных лучей солнечные батареи вырабатывают электрический ток для дома, дачи. Он не всегда используется в полном объеме, его излишки накапливаются в аккумуляторе. Накопленная энергия расходуется ненастную погоду.
• Контролер. Не обязательная часть, но желательная (при достаточном количестве средств). Отслеживает уровень заряда аккумулятора, не допуская его чрезмерного разряда или превышения уровня максимального заряда. Оба этих состояния губительны для аккумулятора, так что наличие контролера продлевает срок эксплуатации аккумулятора. Также контролер обеспечивает оптимальный режим работы солнечных панелей.
• Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). Не все устройства рассчитаны на постоянный ток. Многие работают от переменного напряжения в 220 вольт. Преобразователь дает возможность получить напряжение 220-230 В.

Солнечные батареи для дома — только часть системы

Установив солнечные батареи для дома или дачи, можно стать совершенно независимым от официального поставщика. Но для этого надо иметь большое количество батарей, некоторое количество аккумуляторов. Комплект, который вырабатывает 1,5 кВт а сутки стоит около 1000$. Этого достаточно для обеспечения потребностей дачи или части электрооборудования в доме. Комплект солнечных батарей для производства 4 кВт в сутки стоит порядка 2200$, на 9 кВт в сутки — 6200$. Так как солнечные батареи для дома — модульная система, можно купить установку, которая будет обеспечивать часть потребностей, постепенно увеличивая ее производительность.

Виды солнечных батарей

С ростом цен на энергоносители идея использования энергии солнца для получения электроэнергии становится все более популярной. Тем более, что с развитием технологий солнечные преобразователи становятся эффективнее и, одновременно, дешевле. Так что, при желании, можно свои нужды обеспечить установив солнечные батареи. Но они бывают разных типов. Давайте разбираться.

Сама солнечная батарея — некоторое количество фотоэлементов, которые расположены в общем корпусе, защищенные прозрачной лицевой панелью. Для бытового использования фотоэлементы производят на основе кремния, так как он относительно недорог, и элементы на его основе имеют неплохой КПД (порядка 20-24%). На основе кремниевых кристаллов изготавливают монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные (гибкие) фотоэлементы. Некоторое количество этих фотоэлементов электрически соединены между собой (последовательно и/или параллельно) и выведены на клеммы, расположенные на корпусе.

Фотоэлементы установлены в закрытом корпусе. Корпус солнечной батареи делают из анодированного алюминия. Он легкий, не подвержен коррозии. Лицевую панель делают из прочного стекла, которое должно выдерживать снего-ветровые нагрузки. К тому же оно должно обладать определенными оптическими свойствами — иметь максимальную прозрачность, чтобы пропускать как можно больше лучей. Вообще, из-за отражения теряется значительное количество энергии, так что требования к качеству стекла высокие и еще оно покрывается антибликовым составом.

Виды фотоэлементов для солнечных батарей

Солнечные батареи для дома делают на основе кремневых элементов трех типов;

Если у вас скатная крыша и фасад развернут на юг или восток, слишком сильно думать о занимаемой площади не имеет смысла. Вполне могут устроить поликристаллические модули. При равном количестве производимой энергии они стоят немного дешевле.

Как правильно выбрать систему солнечных батарей для дома

Есть распространенные заблуждения, которые заставляют вас тратить лишние деньги на приобретение чересчур дорогого оборудования. Ниже приведем рекомендации того, как правильно выстроить систему электропитания от солнечных батарей и не потратить лишних денег.

Что надо купить

Далеко не все компоненты солнечной электростанции жизненно необходимы для работы. Без некоторых частей вполне можно обойтись. Они служат для повышения надежности, но без них система работоспособна. Первое, что стоит запомнить — приобретайте солнечные батареи в конце зимы, начале весны. Во-первых, погода в это время отличная, много солнечных дней, снег отражает солнце, увеличивая общую освещенность. Во-вторых, в это время традиционно объявляют скидки. Далее советы такие:

Если воспользоваться только этими советами, и подключить только технику, которая работает от постоянного напряжения, система солнечных батарей для дома обойдется в гораздо более скромную сумму чем самый дешевый комплект. Но это еще не все. Можно еще часть оборудования оставить «на потом» или вообще обойтись без него.

Без чего можно обойтись

Стоимость комплекта солнечных батарей на 1 кВт в сутки — более тысячи долларов. Немалые вложения. Поневоле задумаешься, а стоит ли оно того и каков же будет срок окупаемости. При нынешних тарифах ждать пока отобьются свои деньги придется не один год. Но можно затраты уменьшить. Не за счет качества, но за счет незначительного снижения комфортности эксплуатации системы и за счет разумного подхода к подбору ее компонентов.

Итак, если бюджет ограничен, можно обойтись несколькими солнечными панелями и аккумуляторными батареями, емкость которых на 20-25% выше максимального заряда солнечных панелей. Для мониторинга состояния купите автомобильные часы, которые еще измеряют напряжение. Это избавит вас от необходимости несколько раз в день измерять заряд на АКБ. Вместо этого вам надо будет время от времени смотреть на показания часов. Для старта это все. В дальнейшем можно докупать солнечные батареи для дома, увеличивать количество АКБ. При желании, можно купить инвертор.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

В хороших солнечных батареях на 12 вольт должно быть 36 элементов, на 24 вольта — 72 фотоэлемента. Это количество оптимально. При меньшем числе фотоэлементов вы никогда не получите заявленный ток. И это — лучший из вариантов.

Не стоит покупать сдвоенные солнечные панели — по 72 и 144 элемента соответственно. Во-первых, они очень большие, что неудобно при перевозке. Во-вторых, при аномально низких температурах, которые у нас периодически случаются, они первыми выходят из строя. Дело в том, что ламинирующая пленка при морозах сильно уменьшается в размерах. На больших панелях из-за большого натяжения она отслаивается или даже рвется. Теряется прозрачность, катастрофически падает производительность. Панель идет в ремонт.

Второй фактор. На больших по размерам панелях должна быть больше толщина корпуса и стекла. Ведь увеличивается парусность и снеговые нагрузки. Но далеко не всегда это делают, так как значительно возрастает цена. Если вы видите сдвоенную панель, а цена на нее ниже, чем на две «обычных», лучше ищите что-то другое.

Еще раз: лучший выбор — солнечная панель для дома на 12 вольт, состоящая из 36 фотоэлементов. Это оптимальный вариант, проверенный практикой.

Технические характеристики: на что обратить внимание

В сертифицированных солнечных батареях всегда указывается рабочий ток и напряжение, а также напряжение холостого хода и ток КЗ. При этом стоит учесть, что все параметры обычно указываются для температуры +25°C. В солнечный день на крыше батарея разогревается до температур, значительно превышающих эту цифру. Это объясняет наличие большего рабочего напряжения.

Также обратите внимание на напряжение холостого хода. В нормальных батареях оно порядка 22 В. И все бы ничего, но если проводить работы на оборудовании не отключив солнечные батареи, напряжение холостого ходы выведет из строя инвертор или другую подключенную технику, не рассчитанную на подобный вольтаж. Потому при любых работах — переключении проводов, подключении/отключении аккумуляторов и т.д. и т.п — первое что вы должны сделать — отключить солнечные батареи (снять клеммы). Перебрав схему, их подключаете последними. Такой порядок действий сохранит вам много нервов (и денег).

Корпус и стекло

Солнечные батареи для дома имеют алюминиевый корпус. Этот металл не корродирует, при достаточной прочности имеет небольшую массу. Нормальный корпус должен быть собран из профиля, в котором присутствуют, как минимум, два ребра жесткости. К тому же стекло должно быть вставлено в специальный паз, а не закреплено сверху. Все это — признаки нормального качества.

Еще при выборе солнечной батареи обратите внимание на стекло. В нормальных батареях оно не гладкое, а текстурированное. На ощупь — шершавое, если провести ногтями, слышен шорох. К тому же должно иметь качественное покрытие, которое сводит к минимуму блики. Это означает что в нем не должно ничего отражаться. Если хоть под каким-то углом видны отражения окружающих предметов, лучше найдите другую панель.

Выбор сечения кабеля и тонкости электрического подключения

Подключать солнечные батареи для дома необходимо медным одножильным кабелем. Сечение жилы кабеля зависит от расстояния между модулем и АКБ:

• расстояние менее 10 метров:
  • 1,5 мм2 на одну солнечную батарею мощностью 100 Вт;
  • на две батареи — 2,5 мм2;
  • три батареи — 4,0 мм2;
• расстояние больше 10 метров:
  • для подключения одной панели берем 2,5 мм2;
  • двух — 4,0 мм2;
  • трех — 6,0 мм2.

Можно брать сечение больше, но не меньше (будут большие потери, а оно нам не надо). При покупке проводов, обратите внимание на фактическое сечение, так как сегодня заявленные размеры очень часто не соответствуют действительным. Для проверки придется измерять диаметр и считать сечение (как это делать, прочесть можно ).

При сборе системы можно плюсы солнечных батарей провести используя многожильный кабель подходящего сечения, а для минуса использовать один толстый. Перед подключением к аккумуляторам все «плюсы» пропускаем через диоды или диодные сборки с общим катодом. Это предотвращает возможность замыкания аккумулятора (может вызвать возгорание) при замыкании или обрыве проводов между батареями и аккумулятором.

Диоды используют типа SBL2040CT, PBYR040CT. Если такие на нашли, можно снять со старых блоков питания персональных компьютеров. Там обычно стоят SBL3040 или подобные. Пропускать через диоды желательно. Не забудьте что они сильно греются, так что монтировать их надо на радиаторе (можно на едином).

Еще в системе необходим блок предохранителей. По одному на каждого потребителя. Всю нагрузку подключаем через этот блок. Во-первых, система так безопаснее. Во-вторых, при возникновении проблем, проще определить ее источник (по сгоревшему предохранителю).

Уже не одно десятилетие человечество ищет альтернативные источники энергии, способные хотя бы частично заменить существующие. И самыми перспективными из всех на сегодняшний день представляются два: ветро‑ и солнечная энергетика.

Правда, ни тот ни другой не могут предоставить непрерывного производства. Это связано с непостоянством розы ветров и суточно‑погодно‑сезонными колебаниями интенсивности солнечного потока.

Сегодняшняя энергетика предлагает три основных метода получения электрической энергии, но все они тем или иным образом вредны для окружающей среды:

• Топливная электроэнергетика — самая экологически грязная, сопровождается значительными выбросами в атмосферу углекислого газа, сажи и бесполезной теплоты, вызывая сокращение озонового слоя. Добыча топливных ресурсов для нее также наносит значительный вред природе.
• Гидроэнергетика связана с очень значительными ландшафтными изменениями, затоплением полезных земель, причиняет ущерб рыбным ресурсам.
• Атомная энергетика — самая экологически чистая из трёх, но требует очень значительных расходов на поддержание безопасности. Любая авария может быть связана с нанесением непоправимого долголетнего вреда природе. К тому же требует специальных мер по утилизации отходов использованного топлива.

Строго говоря, получить электроэнергию от солнечного излучения можно несколькими способами, но большинство из них используют промежуточное её преобразование в механическую, вращающую вал генератора и только затем в электрическую.

Такие электростанции существуют, они используют в работе двигатели внешнего сгорания Стирлинга, имеют неплохой КПД, но у них есть и существенный недостаток: чтобы собрать как можно больше энергии солнечного излучения, требуется изготовление огромных параболических зеркал с системами слежения за положением солнца.

Надо сказать, что существуют решения, позволяющие улучшить ситуацию, но все они достаточно дорогостоящие.

Есть методы, дающие возможность прямого преобразования энергии света в электрический ток. И хотя явление фотоэффекта в полупроводнике селене было открыто уже в 1876 году, но только в 1953 году, с изобретением кремниевого фотоэлемента, появилась реальная возможность создания солнечных батарей для получения электроэнергии.

В это время уже появляется теория, позволившая объяснить свойства полупроводников, и создать практическую технологию их промышленного производства. К сегодняшнему дню это вылилось в настоящую полупроводниковую революцию.

Работа солнечной батареи основана на явлении фотоэффекта полупроводникового p-n перехода, по сути представляющего собой обычный кремниевый диод. На его выводах при освещении возникает фото‑эдс величиной 0,5~0,55 В.

При использовании электрических генераторов и батарей необходимо учитывать различия, которые существуют между . Подключая трехфазный электродвигатель в соответствующую сеть, можно в три раза увеличить его выходную мощность.

Следуя определенным рекомендациям, с минимальными затратами по ресурсам и времени можно изготовить силовую часть высокочастотного импульсного преобразователя для бытовых нужд. Изучить структурные и принципиальные схемы таких блоков питания можно .

Конструктивно каждый элемент солнечной батареи выполнен в виде кремниевой пластины площадью в несколько см 2 , на которой сформировано множество соединённых в единую цепь таких фотодиодов. Каждая такая пластина является отдельным модулем, дающим при солнечном освещении определённое напряжение и ток.

Соединяя такие модули в батарею и комбинируя параллельно‑последовательное их подключение, можно получить широкий диапазон значений выходной мощности.

Основные недостатки солнечных батарей:

• Большая неравномерность и нерегулярность энергоотдачи в зависимости от погоды, и сезонной высоты солнца.
• Ограничение мощности всей батареи, если затенена хотя бы одна её часть.
• Зависимость от направления на солнце в различное время суток. Для максимально эффективного использования батареи нужно обеспечивать её постоянную направленность на солнце.
• В связи с вышесказанным, необходимость аккумулирования энергии. Наибольшее потребление энергии приходится на то время, когда выработка её минимальна.
• Большая площадь, требующаяся для конструкции достаточной мощности.
• Хрупкость конструкции батареи, необходимость постоянной очистки её поверхности от загрязнений, снега и т. п.
• Модули солнечной батареи работают наиболее эффективно при 25°C. Во время работы же они нагреваются солнцем до значительно более высокой температуры, сильно снижающей их эффективность. Чтобы поддерживать КПД на оптимальном уровне, необходимо обеспечивать охлаждение батареи.

Следует заметить, что постоянно появляются разработки солнечных элементов, использующих новейшие материалы и технологии. Это позволяет постепенно устранять недостатки, присущие солнечным батареям или уменьшать их влияние. Так, КПД новейших элементов, использующих органические и полимерные модули, достигает уже 35% и есть ожидания достижения 90%, а это делает возможным при тех же размерах батареи получить много бòльшую мощность, либо, сохранив энергоотдачу, значительно уменьшить габариты батареи.

Кстати, средний КПД автомобильного двигателя не превышает 35%, что позволяет говорить о достаточно серьёзной эффективности солнечных панелей.

Появляются разработки элементов на основе нанотехнологий, одинаково эффективно работающих под разными углами падающего света, что избавляет от необходимости их позиционирования.

Таким образом, уже сегодня можно говорить о преимуществах солнечных батарей по сравнению с другими источниками энергии:

• Отсутствие механических преобразований энергии и движущихся частей.
• Минимальные расходы на эксплуатацию.
• Долговечность 30~50 лет.
• Тишина при работе, отсутствие вредных выбросов. Экологичность.
• Мобильность. Батарея для питания ноутбука и зарядки аккумулятора для светодиодного фонарика вполне поместится в небольшом рюкзаке.
• Независимость от наличия постоянных источников тока. Возможность подзарядки аккумуляторов современных гаджетов в полевых условиях.
• Нетребовательность к внешним факторам. Солнечные элементы можно разместить в любом месте, на любом ландшафте, лишь бы они достаточно освещались солнечным светом.

В приэкваториальных районах Земли средний поток солнечной энергии составляет в среднем 1,9 кВт/м 2 . В средней полосе России он находится в пределах 0,7~1,0 кВт/м 2 . КПД классического кремниевого фотоэлемента не превышает 13%.

Как показывают опытные данные, если прямоугольную пластину направить своей плоскостью на юг, в точку солнечного максимума, то за 12‑часовой солнечный день она получит не более 42% суммарного светового потока из‑за изменения угла его падения.

Это означает, что при среднем солнечном потоке 1 кВт/м 2 , 13% КПД батареи и её суммарной эффективности 42% удастся получить за 12 часов не более 1000 x 12 x 0,13 x 0,42 = 622,2 Втч, или 0,6 кВтч за день с 1 м 2 . Это при условии полного солнечного дня, в облачную погоду — значительно меньше, а в зимние месяцы эту величину нужно разделить ещё на 3.

Учитывая потери на преобразование напряжения, схему автоматики, обеспечивающую оптимальный зарядный ток аккумуляторов и предохраняющую их от перезаряда, и прочие элементы можно принять за основу цифру 0,5 кВтч/м 2 . Этой энергией можно в течение 12 часов поддерживать ток заряда аккумулятора 3 А при напряжении 13,8 В.

То есть для заряда полностью разряженной автомобильной батареи ёмкостью 60 Ач потребуется солнечная панель в 2 м 2 , а для 50 Ач — примерно 1,5 м 2 .

Для того чтобы получить такую мощность можно приобрести готовые панели, выпускающиеся в диапазоне электрических мощностей 10~300 Вт. Например, одна 100 Вт панель за 12‑ти часовой световой день с учётом коэффициента 42% как раз обеспечит 0,5 кВтч.

Такая панель китайского производства из монокристаллического кремния с очень неплохими характеристиками стоит сейчас на рынке около 6400 р. Менее эффективная на открытом солнце, но имеющая лучшую отдачу в пасмурную погоду поликристаллическая — 5000 р.

При наличии определённых навыков в монтаже и пайке радиоэлектронной аппаратуры можно попробовать собрать подобную солнечную батарею и самому. При этом не стоит рассчитывать на очень большой выигрыш в цене, кроме того, готовые панели имеют заводское качество как самих элементов, так и их сборки.

Но продажа таких панелей организована далеко не везде, а их транспортировка требует очень жёстких условий и обойдётся достаточно дорого. Кроме того, при самостоятельном изготовлении появляется возможность, начав с малого, постепенно добавлять модули и наращивать выходную мощность.

Подбор материалов для создания панели

В китайских интернет‑магазинах, а также на аукционе eBay предлагается широчайший выбор элементов для самостоятельного изготовления солнечных батарей с любыми параметрами.

Ещё в недалёком прошлом самодельщики приобретали пластины, отбракованные при производстве, имеющие сколы или другие дефекты, но существенно более дешёвые. Они вполне работоспособны, но имеют немного пониженную отдачу по мощности. Учитывая постоянное снижение цен, сейчас это уже вряд ли целесообразно. Ведь теряя в среднем 10% мощности, мы теряем и в эффективной площади панели. Да и внешний вид батареи, состоящей из пластин с отколотыми кусочками выглядит довольно кустарно.

Можно приобрести такие модули и в российских онлайн‑магазинах, например, molotok.ru предлагает поликристаллические элементы с рабочими параметрами при световом потоке 1,0 кВт/м 2:

• Напряжение: холостого хода — 0,55 В, рабочее — 0,5 В.
• Ток: КЗ — 1,5 А, рабочий — 1,2 А.
• Рабочая мощность — 0,62 Вт.
• Габариты — 52х77 мм.
• Цена 29 р.

Совет: Надо учитывать, что элементы очень хрупкие и при транспортировке часть из них может быть повреждена, поэтому при заказе следует предусмотреть некоторый запас по их количеству.

Изготовление солнечной батареи для дома своими руками

Для изготовления солнечной панели нам понадобится подходящая рама, которую можно сделать самостоятельно или подобрать готовую. Из материалов для нее лучше всего использовать дюралюминий, он не подвержен коррозии, не боится сырости, долговечен. При соответствующей обработке и покраске для защиты от атмосферных осадков подойдёт и стальная, и даже деревянная.

Совет: Не стоит делать панель очень больших размеров: она будет неудобна в монтаже элементов, установке и обслуживании. К тому же маленькие панели имеют низкую парусность, их можно удобнее разместить под требуемыми углами.

Рассчитываем комплектующие

Определимся с размерами нашей рамы. Для зарядки 12-ти вольтового кислотного аккумулятора требуется рабочее напряжение не ниже 13,8 В. Примем за основу 15 В. Для этого нам придётся соединить последовательно 15 В / 0,5 В = 30 элементов.

Совет: Выход солнечной панели следует подключать к аккумулятору через защитный диод во избежание его саморазряда в темное время суток через солнечные элементы. Так что на выходе нашей панели будет: 15 В – 0,7 В = 14,3 В.

Чтобы получить зарядный ток 3,6 А, нам необходимо соединить в параллель три таких цепочки, или 30 x 3 = 90 элементов. Это будет нам стоить 90 x 29 р. = 2610 р.

Совет: Элементы солнечной панели соединяются параллельно‑последовательно. Необходимо соблюдать равенство количества элементов в каждой последовательной цепочке.

Таким током мы можем обеспечить стандартный режим заряда для полностью разряженного аккумулятора ёмкостью 3,6 x 10 = 36 Ач.

Реально эта цифра будет меньше из‑за неравномерности солнечного освещения в течение дня. Таким образом, для заряда стандартной автомобильной батареи 60 Ач, нам нужно будет соединить параллельно две таких панели.

Эта панель может нам обеспечить электрическую мощность 90 x 0,62 Вт ≈ 56 Вт.

Или в течение 12‑часового солнечного дня с учётом поправочного коэффициента 42% 56 x 12 x 0,42 ≈ 0,28 кВтч.

Разместим наши элементы в 6 рядов по 15 штук. Для установки всех элементов нам потребуется поверхность:

• Длина — 15 x 52 = 780 мм.
• Ширина — 77 x 6 = 462 мм.

Для свободного размещения всех пластин примем габариты нашей рамы: 900×500 мм.

Совет: Если есть готовые рамы с другими габаритами, можно пересчитать количество элементов в соответствии с приведёнными выше намётками, подобрать элементы других типоразмеров, попробовать разместить их, комбинируя длину и ширину рядов.

Также нам потребуются:

• Паяльник электрический 40 Вт.
• Припой, канифоль.
• Монтажный провод.
• Силиконовый герметик.
• Двусторонний скотч.

Этапы изготовления

Для монтажа панели необходимо подготовить ровное рабочее место достаточной площади с удобным подходом со всех сторон. Сами пластины элементов лучше разместить отдельно в стороне, где они будут защищены от случайных ударов и падений. Брать их следует аккуратно, по одной.

Устройства защитного выключения повышают безопасность домашней электросети, снижая вероятность поражения электричеством и возникновения пожаров. Детальное ознакомление с характерными особенностями разных видов выключателей дифференциального тока подскажет, для квартиры и дома.

При эксплуатации электросчетчика возникают ситуации, когда его надо заменить и заново подключить — об этом можно прочитать .

Обычно для изготовления панели используют способ приклеивания предварительно распаянных в единую цепь пластин элементов на плоскую основу‑подложку. Мы предлагаем другой вариант:

1. Вставляем в раму, хорошо закрепляем и герметизируем по краям стекло или кусок плексигласа.
2. Раскладываем на нем в соответствующем порядке, приклеивая их двусторонним скотчем, пластины элементов: рабочей стороной к стеклу, выводами для пайки — к задней стороне рамы.
3. Положив раму на стол стеклом вниз, мы сможем удобно распаивать выводы элементов. Выполняем электрический монтаж в соответствии с выбранной принципиальной схемой включения.
4. Склеиваем окончательно пластины с задней стороны скотчем.
5. Подкладываем какую‑либо демпфирующую прокладку: листовую резину, картон, ДВП и т. п.
6. Вставляем в раму заднюю стенку и герметизируем её.

При желании вместо задней стенки можно залить раму сзади каким‑нибудь компаундом, например, эпоксидкой. Правда, это уже исключит возможность разборки и ремонта панели.

Конечно, одной батареи в 50 Вт не хватит для обеспечения энергией даже небольшого домика. Но с её помощью уже можно реализовать в нем освещение, используя современные светодиодные светильники.

Для комфортного существования городского жителя сейчас в сутки требуется не менее 4 кВтч электроэнергии. Для семьи — соответственно количеству её членов.

Следовательно, солнечная батарея частного дома для семьи из трёх человек должна обеспечивать 12 кВтч. Если предполагается электроснабжение жилища только от солнечной энергии нам нужна будет солнечная батарея площадью, не менее 12 кВтч / 0,6 кВтч/м 2 = 20 м 2 .

Эту энергию необходимо запасти в аккумуляторных батареях, ёмкостью 12 кВтч / 12 В = 1000 Ач, или примерно 16 батарей по 60 Ач.

Для нормальной работы аккумуляторной батареи с солнечной панелью и её защиты потребуется контроллер заряда.

Чтобы преобразовать 12 В постоянного тока в 220 В переменного, нужен будет инвертор. Хотя сейчас на рынке уже в достаточном количестве представлено электрооборудование на напряжения 12 или 24 В.

Совет: В низковольтных сетях электроснабжения действуют токи значительно более высоких значений, поэтому для выполнения проводки к мощному оборудованию следует выбирать провод соответствующего сечения. Проводка для сетей с инвертором выполняется по обычной схеме 220 В.

Делаем выводы

При условии аккумулирования и рационального использования энергии, уже сегодня нетрадиционные виды электроэнергетики начинают создавать солидную прибавку в общем объёме её выработки. Можно даже утверждать, что они постепенно становятся традиционными.

Учитывая значительно снизившийся в последнее время уровень энергопотребления современной бытовой техники, применение энергосберегающих осветительных приборов и значительно увеличившийся КПД солнечных батарей новых технологий, можно сказать, что уже сейчас они способны обеспечивать электроэнергией небольшой частный дом в южных странах с большим количество солнечных дней в году.

В России же они вполне могут применяться, как резервные или дополнительные источники энергии в комбинированных системах электроснабжения, а если эффективность их удастся повысить хотя бы до 70%, то вполне реально будет и их использование в качестве основных поставщиков электроэнергии.

Видео о том, как изготовить прибор для сбора солнечной энергии самому

- производить солнечные батареи , такие батареи всегда будут пользоваться спросом, поскольку солнечная энергия неисчерпаема, и кремний, из которого в основном изготавливаются солнечные батареи, является очень распространенным веществом.

Единственный минус этой бизнес идеи – это неразвитость технологического процесса изготовления солнечных батарей , которая пока не позволяет снизить стоимость батареи.
Производство солнечных батарей требует наличия основного сырья - кварцевого песка, содержащего значительную концентрацию двуокиси кремния и хорошо поддающегося обработке.

Далее в зависимости от вида кремния: аморфного, монокристаллического и поликристаллического применяется своя технология производства. Для получения монокристаллического кремния с однородной структурой кристалла, его выращивают с помощью затравочного монокристалла. В специальной печи, определенным образом вращая.

Менее затратные по деньгам технологии применяются при производстве поликристаллического кремния, у которого структура неоднородна. Для получения поликристаллического кремния производят осаждения пара, что заставляет молекулы застывать свободно и неупорядоченно.

Изготовленные батареи на поликристаллическом кремнии имеют сравнительно небольшую цену.
Затем происходит обрезка получившихся в результате процесса производства дисков монокристаллического кремния до квадратной формы. Дальше алмазными дисками режут квадратной формы монокристаллический кремний тонкими пластинками толщиной 0,2 до 0,4 мм.

Затем их подвергают тщательной очистке, обтачиванию, шлифованию и очищению. Потом проводится тестирование пластинок монокристаллического кремния. Далее пластинки кремния соединяют, образуя элементы солнечных батарей. Затем на поверхности кремниевых частей батарей накладываются защитные покрытия из крепкого стекла для предупреждения
негативного воздействия окружающей среды. Далее поверхности металлизируют, потом накладывают антирефлексионное покрытие специальным ламинатом.

Для достижения необходимых электрических параметров, в частности уровня напряжения и силы тока, элементы солнечных батарей последовательно объединяют. Этот процесс происходит в соответствие с стекло-пленочной технологией, вписанной бизнес-план производства солнечных батарей. Пленка крепится к обратной стороне получающейся конструкции из фотоэлектрических пластин, затем герметизируются края пленки, что гарантирует качество солнечных батарей.

Под действием энергии солнца происходит генерирование тока фотоэлектрическими элементами солнечных батарей. Затем происходит аккумуляция тока, и его уже можно использовать для электропитания других электрических приборов.

Как сделать солнечную батарею – видео:

Кстати сами солнечные элементы можно заказать с известных интернет аукционов.

Идеи для Бизнеса из раздела:

Солнечные батареи можно выпускать серийно с затратами в десять раз более низкими, чем это происходит сейчас. О проверке оригинальной технологии сообщила группа физиков и химиков, ведомая Брайаном Коргелем из университета Техаса в Остине.

Вместо традиционного осаждения состава из газовой фазы в вакуумной камере учёные разработали метод распыления на подложку краски, состоящей из армии фоточувствительных наночастиц.В роли воспринимающего свет состава был применён селенид меди-индия-галлия CIGS.

Нанесение генерирующих электричество наночернил на подложку. Коргель и его коллеги разработали и отшлифовали метод синтеза частиц CIGS, которые по размеру в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Взвесь таких частиц превращается в краску, которую легко нанести на основу будущей батареи при комнатной температуре.

Но пока даже простая окраска готовой полимерной подложки демонстрирует путь получения недорогих солнечных преобразователей. Брайан и его коллеги изготовили несколько таких фотоэлектрических ячеек. Их КПД, увы, был невелик всего 1%, но американские учёные считают, что смогут поднять его до 10% оптимизацией технологии.

В сочетании со стоимостью, в десять раз более скромной, чем у классических панелей, это откроет дорогу к коммерческому успеху новации. Технология может добраться до рынка в течение 3-5 лет, считает Коргель. Он также добавляет, что новые чернила полупрозрачны, что позволит поэкспериментировать и с созданием генерирующих ток оконных стёкол.

Технология производства сверхдешёвых солнечных батарей

Солнечные батареи можно выпускать серийно в десять раз дешевле, чем сейчас. О проверке оригинальной технологии сообщила группа физиков и химиков под руководством Брайана Коргеля из университета Техаса в Остине.

Чтобы уменьшить стоимость солнечных ячеек, исследователи совместили оптимальный полупроводниковый материал с более простой и недорогой технологией его обработки.

Вместо традиционного осаждения состава из газовой фазы в вакуумной камере учёные разработали метод распыления на подложку краски, состоящей из фоточувствительных наночастиц.

В роли воспринимающего свет состава был применён селенид меди-индия-галлия CIGS.

Коргель и его коллеги разработали и отшлифовали метод синтеза частиц CIGS, которые по размеру в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Взвесь таких частиц превращается в краску, которую легко нанести на основу будущей батареи при комнатной температуре.

Если будет создан ещё и способ аналогичного распыления подложки и других необходимых батарее элементов, откроется путь к нанесению солнечных батарей прямо на крыши домов в виде нескольких слоёв краски.

Но пока даже простая окраска готовой полимерной подложки демонстрирует путь получения недорогих солнечных преобразователей. Брайан и его коллеги изготовили несколько таких фотоэлектрических ячеек. Их КПД был невелик всего 1%, но американские учёные считают, что смогут поднять его до 10% оптимизацией технологии.

В сочетании со стоимостью, в десять раз более скромной, чем у классических панелей, это откроет дорогу к коммерческому успеху новации. Технология может добраться до рынка в течение 35 лет, считает Коргель. Он также добавляет, что новые чернила полупрозрачны, что позволит поэкспериментировать и с созданием генерирующих ток оконных стёкол.

Солнечные батареи в России

Прогнозы писателей-фантастов начинают сбываться - в мире пришли к пониманию экологически чистой неиссякаемой энергии Солнца - будущее человечества. Сегодня из всех возобновляемых источников энергии активнее всего развивается гелиоэнергетика. Именно в солнечном электричестве ученые видят альтернативу нефти и газу, запасы, которых не безграничны. Фотоэлектрические преобразователи для солнечных батарей начали производить на заводе металлокерамических приборов в Рязани.

Новая производственная линия на рязанском заводе будет делать модули для солнечных батарей мощностью 230 ват для крупных сетевых электростанций. Комплектующие - пластины с антибликовым покрытием синего и черного цвета. Сырьем для них служит один из самых распространенных природных элементов кремний, всем известный песок. Но чтобы стать полупроводником ему нужно пройти 4 стадии очистки. Основные производители поликристаллического кремния Япония США и Германия - мировые лидеры внедрения солнечной энергетики.

Строительство солнечных домой и станций стало одним из приоритетных направлений энергетики и в последние годы мир испытывает дефицит поликремния. На рынке биоэнергетики развернулась борьба за этот материал, у России есть шанс оказаться в аутсайдерах. Необходимые средства для строительства завода в Рязани удалось найти благодаря тому, что холдинг Российская электроника и Рязанский завод металлокерамических приборов вошли в корпорацию «Ростехнология». В перспективе создать полномасштабное производство от начала и до конца. От производства кремния до производства тех или иных элементов солнечных батарей, сборка панелей и дальше сборка электростанций на солнечной энергии.

Это предприятие электронной отрасли не случайно выбрано базовым для создания производства солнечных батарей. Еще 10 лет назад здесь впервые занялись выпуском солнечных модулей и применили новый способ их герметизации - пластиковый. Это ноу-хау, запатентованные технологии.

Хотя наша страна располагается не в самых солнечных широтах, планируется, что через 10 лет в России производство электроэнергии из возобновляемых источников увеличится в несколько раз.

Какая технология производства солнечных батарей?

Технология производства солнечных батарей слишком сложна, чтобы ее можно было подробно описать на данном ресурсе. Но в общем она не отличается от производства других полупроводниковых приборов: из монокристаллов особо-чистого кремния, как правило, p-типа, то есть легированный бором или алюминием, режутся тонкие пластины, после чего они полируются, травятся и на них формируются полупроводниковые структуры -- p-n переход с одной стороны, p-p+ переход с обратной стороны. Затем формируются контактная решетка из слоев титана, палладия и серебра с лицевой стороны и слой серебра-палладия с обратной, и наконец, на поверхность напыляется просветляющий слой.

Таким образом получается простейший солнечный элемент, типа тех, что серийно производились в 1980-е годы в СССР. С тех пор структура солнечных элементов значительно усложнилась -- применяется многослойное просветление и текстурирование поверхности кремния, заметно увеличивающее эффективность светосбора, более сложная полупроводниковая структура, более совершенные системы токосъема.

Источники: www.membrana.ru, www.megawt.ru, sunbat.narod.ru, alternativenergy.ru, www.bolshoyvopros.ru

Исчезнувшие колена Израиля. Часть5

Легенда о созвездии Гончие Псы

Змеи-наги

Замки Бретани. Часть3

Автоматическая станция Луна-13

«Луна-13» — советская межпланетная станция для изучения Луны и космического пространства. 21 декабря 1966 года осуществлён пуск ракеты-носителя «Молния», которая вывела...

Коварная Марена

После смерти Майи Златогорки Даждьбог долго жил в одиночестве, пока ему не приглянулась богиня смерти Марена. Сын Перуна так влюбился в...

Римская культура

Культура древнего Рима кратко изучается во всех гуманитарных курсах цивилизационной направленности, однако все многообразие вряд ли можно увидеть в обзорном курсе. ...

Автомобильная радиосистема Pioneer

Почему Вы должны выбрать именно автомагнитолу Pioneer? Можете ли Вы воспроизводить компакт-диски или только MP3? Есть ли у вас технология...

Культура 17 века в России

Вся средневековая духовная жизнь находилась под полным вниманием православной церкви. Произошли изменения в социально - экономической жизни общества. Жизнь...