Как работает солнечная батарея: устройство и принцип действия, подробное видео

Устройство светильника на солнечных батареях

Все уличные светильники на солнечных батареях, для дачи или для освещения городских улиц, имеют единую комплектацию. Независимо от формы, размеров, типа установки они состоят из следующих элементов:

  • лампа;
  • корпус;
  • плафон;
  • кронштейн или опорная конструкция;
  • аккумулятор;
  • контроллер;
  • солнечная батарея (фотоэлектрический элемент).

В продаже имеется большое количество светильников подобной конструкции. Все они имеют разные параметры, мощность, уровень яркости и прочие особенности. При этом, фонари для наружной подсветки имеют общую особенность — они не работают напрямую, как это делают часы или калькуляторы, поскольку уличное освещение используется в темное время суток, когда источника энергии на небе нет. Поэтому основным показателем качества фонаря будет емкость аккумулятора и ориентировочное время расходования заряда.

Принцип действия

Фотоэлектрические элементы в светлое время суток принимают поток солнечного света и вырабатывают определенное количество энергии, соответствующее типу конструкции панелей. Эта энергия передается аккумуляторной батарее, которая накапливает ее до полного заряда свей емкости. Если погода пасмурная, зарядка все равно будет происходить, так как некоторое количество энергии панели в любом случае отдадут, но полностью зарядить аккумулятор не удастся. Это сократит время работы фонаря в ночное время.

При наступлении сумерек срабатывает датчик, переключающий систему в рабочий режим. Энергия аккумулятора передается на инвертор, который преобразует ее в напряжение со стандартными параметрами, после чего оно подается на лампы. Их работа будет продолжаться либо до момента получения сигнала от датчика освещенности на рассвете, либо до полного разряда аккумулятора и прекращения подачи питания.

Существуют конструкции, которые работают по упрощенной схеме. Аккумуляторы накапливают энергию, которую отдают на светильник в том же виде. Это возможно для ламп, работающих на постоянном токе. Стоимость таких фонарей меньше, так как отсутствует большая часть аппаратуры, однако, работоспособность и длительность свечения весьма коротки.

Использование на дорогах

Осветительные системы на солнечных батареях, работающие на автомобильных дорогах, используют полноценную схему приема, накопления и преобразования энергии. Они устанавливаются на высокие опоры, позволяющие решить одновременно несколько задач:

  • обеспечение оптимального положения солнечных панелей для приема максимального количества энергии;
  • высокое расположение светильников способствует более широкому охвату площади;
  • аппаратура находится в недоступности для вандалов и злоумышленников.

Состав комплекта осветительного оборудования на солнечных батареях ничем не отличается от обычного набора устройств:

  • фотоэлектрическая панель;
  • аккумулятор, контроллер и преобразователь, размещенные в шкафу с аппаратурой;
  • лампа (как правило, светодиодная конструкция);
  • кронштейны, соединительные провода.

Система уличного освещения не допускает отказов или отсутствия света по каким-либо причинам. Поэтому качество аппаратуры, емкость аккумуляторов и прочие параметры оборудования подбираются с таким расчетом, чтобы гарантированно обеспечить ответственную часть дороги нормативным потоком света. Для этого требуется солидный запас мощности на случай многодневной пасмурной погоды. Излишки энергии, накопленные в солнечные дни, сбрасываются в сеть или направляются на питание киосков, расположенных поблизости.

Подсветка пешеходных переходов

В темное время суток, особенно в межсезонье, когда видимость на дорогах резко снижается, необходима качественная подсветка пешеходных переходов. Эффективным способом подсветки является использование автоматических светильников на солнечных батареях. Они зажигаются по сигналу от датчика движения и горят, пока человек не перейдет на другую сторону. Состав комплекта обычный, дополненный устройством контроля движения и реле, обеспечивающим работу светильника в течение нужного для перехода отрезка времени.

Популярные модели и марки светильников на солнечных батареях

С датчиком движения

Удобная опция для освещения объектов, где свет нужен в момент присутствия человека. Датчик движения позволяет включать свет, когда в зону действия сенсора попадает движущийся объект. Если функция становится ненужной, то в большинстве светильников ее можно отключить.

Из популярных моделей с датчиком движения можно назвать китайский фонарь Star Alliance YH0607A-PIR / Sanhoo 2LEDPIR и венгерский светильник Novotech Solar 357413.

Star Alliance YH0607A-PIR / Sanhoo 2LEDPIR

Star Alliance YH0607A-PIR / Sanhoo 2LEDPIR

Star Alliance предназначен для настенного крепления, крепеж универсальный. Лампа светит в двух режимах: фоновом и ярком (при появлении движущихся объектов). Фоновый режим можно отключать.

Мощность солнечной панели – 0,4 Вт, емкость аккумуляторов – 400-500 мА*ч, IP44. В зависимости от модели различается количество светодиодов и, соответственно, яркость (от 40 до 150 лм).

Novotech Solar 357413

Novotech Solar 357413

Наземный светильник с датчиком движения. 28 светодиодов обеспечивают освещение площади равной 5 м2. Мощность лампы составляет 2,5 Вт, цветовая температура 3000 К. IP54. Высота светильника – 600 мм. Изготовлен из металла и пластика.

Для дачи

Для красивой подсветки дачных дорожек и декорирования участка можно воспользоваться декоративными светодиодными светильниками «на ножке». Они устанавливаются сразу в грунт. При желании их легко переместить в другое место, а на зиму легко убрать на хранение. Почти все модели оснащаются фотореле, некоторые датчиками движения. Например, упоминавшийся Novotech Solar 357413 хорошо подойдет для подсветки дорожек. Также пользуются популярностью Globo Lighting Solar 33839, 33271 и многие другие модели.

Globo Lighting Solar 33839

Globo Lighting Solar 33839

Оригинальный австрийский светильник со встроенным термометром. Корпус металлический, плафон – пластиковый. Световой поток лампы – 270 лм, площадь освещения 0,1 2, IP44. Стойка высотой 37,7 см. Заряда аккумулятора напряжением 3 В хватает на 8 часов непрерывной работы. У светильника есть два режима: ручной и автоматический (с фотореле). Цена около 2900 рублей.

Globo Lighting Solar 33271

Globo Lighting Solar 33271

Стильный внешний вид, стойка высотой 68 см. Металлический корпус, пластиковый плафон. Площадь освещения 0,1 м2, напряжение аккумулятора 1,2 В, мощность лампочки 0,05 Вт, IP44.

Для походов

Для туристов главное – удобство. Фонарь должен быть нетяжелым и негабаритным. Часто солнечная батарея дублируется встроенными аккумуляторами или возможностью заряда от сети 220 В. Хороший представитель кемпинговых фонарей – SX-6800T/GH-5800T. Он недорогой, оснащен 6 светодиодами. Цена около 400 рублей. Заряжается как от сети, так от солнечных батарей. Может подвешиваться или использоваться в руке.

SX-6800T/GH-5800T

С USB разъемом

Удобная опция для заряда гаджетов от светильника. Часто им освещаются кемпинговые фонари, как например, G-85. Он похож на модель SX-6800T/GH-5800T, но имеет usb-разъем для зарядки электронных устройств. К тому же светить может не только от солнечной батареи и сети 220 В, но и от обычных батареек. 6 светодиодов обеспечивают яркий световой поток. Емкости аккумулятора хватает на 5-9 часов работы. Имеет ручку для подвешивания. Высота регулируется.

G-85 в сложенном виде

Уличные фонари

Уличные светильники мощнее других типов. Они оснащены множеством светодиодов мощностью 0,06 Вт, поэтому светят ярко и на большую площадь

При выборе уличного фонаря обращайте внимание на мощность аккумулятора (чем мощнее, тем лучше), поверхность плафона (лучше выбирать рифленое стекло)

В качестве примера можно привести модели LC СВЕТЛЯЧОК 4,5 В и Novotech Solar 358020.

LC Светлячок 4.5Вт

Оснащен датчиком движения, фотореле. IP 54. Световой поток 520 лм. Цветовая температура 6000 К. Заряжается за 6-8 часов, полностью заряженный работает до 12 часов. Имеет разные варианты режимов работы. Цена около 1000 рублей.

Novotech Solar 358020

Настенный светильник, ip54. Мощность лампы 12,4 Вт. Световой поток 500 лм. Цветовая температура 6000 К. Напряжение аккумулятора 3,7 В. Пластиковый корпус.

Устранение неисправностей солярных устройств

Наиболее часто встречающимся дефектом является нарушение связи между батареей и контейнером питания, что может быть вызвано окислением частиц на участке крепежа. Для ремонта часто бывает достаточно разобрать светильник, зачистить полюса аккумулятора и контакты на контейнере питания.

Причиной неполадки может стать также обрыв провода. Для обнаружения проблемы следует в затемненном помещении проверить место пайки. При выявлении обрыва его можно припаять с помощью холодной сварки. Если же ремонтные работы не принесли должных результатов, осветительный прибор придется выбросить.

Solar Lamp

Яркость: 400 — 450 лм Емкость аккумулятора: 2000 мА·ч, 3,7 В Мощность солнечной батареи: 2,5 Вт Ориентировочная цена: 1050 — 1900 руб. Пыле- влагозащита: IP 65

В темноте светит тускло, пока не сработает датчик движения, после чего включается на полную мощность на некоторое время. Вполне подойдет для подсветки стен и входных дверей.

Минимальная цена: 1030 руб.

Выбор светильников для уличного освещения на солнечных батареях

Мощность

При устройстве освещения необходимо учитывать, сколько света может давать светильник. От этого зависит количество светильников и расстояние, на котором их необходимо устанавливать друг от друга. В технических характеристиках обычно указывается мощность в ваттах, а в случае со светодиодными светильниками она мало о чем говорит.

Пример технических характеристик уличного светильника на солнечных батареях

Чтобы понять уровень освещенности, можно сравнить с аналогом обычной лампы накаливания — их мощность нам более-менее понятна, а также можно перевести этот показатель в Люмы (Лм) — единицы измерения освещенности. Так реально можно оценить насколько эффективной будет именно этот светильник.

Таблица соответствия мощности светодиодных ламп и освещенности

Как понимаете, модели с мощностью 1 Вт дают не так уж и много света — примерно как 20 Вт лампа накаливания, потому использовать их можно только для подсветки или маркировки участка — обозначения дорожек, подсветки беседок и т.д.

Класс защиты и материал корпуса

Чтобы уличное освещение на солнечных батареях работало долго и надежно, необходимо чтобы корпус и световой блок (плафон) имели защиту от попадания пыли и влаги. Желательно чтобы класс защиты был не ниже IP44 (больше цифры — это хорошо, меньше — плохо).

Расшифровка цифр в классе защиты

Также стоит обратить внимание на материал из которого изготовлены светильники. Обычно это специальный ударопрочный пластик или металл

Если «металл» — отличный от нержавеющей стали или алюминия, предпочтение лучше отдать пластикам. Они точно не ржавеют и длительное время сохраняют хороший внешний вид.

Вид и способ монтажа

По способу монтажа светодиодные уличные светильники делят на несколько групп:

  • Установка в грунт. Это группа светильников на ножках разной высоты — от 20-30 см до метра и выше. Их установка чрезвычайно проста — они просто втыкаются в грунт в нужном месте. Самая обширная группа — светильники просто втыкаются в грунт
  • Светильники-столбы. Как правило, это более высокие модели с высотой ножки от 1,5 метров и выше. Они тоже могут устанавливаться грунт, но требуют уже более серьезных мер по установке — имеют большую высоту и вес. Придется делать лунку, вставлять в нее столб, засыпать грунтом и уплотнять его. Есть модели для установки на твердое покрытие — плитки, асфальта и т.д. Солнечные светильники на высоких столбах
  • Настенные светильники на солнечных батареях. Есть в разных стилях — от классического «фонарного» дизайна, до моделей в современном стиле. Монтироваться могут на стену, забор, заборные столбы. Настенные варианты смотрятся декоративно
  • Подвесные. Вариантов тоже немало — есть модели, которые можно крепить к потолку, балке и т.п., а есть которые можно развесить на ветках. Для разных целей и условий
  • Встраиваемые в грунт, дорожки, лестницы. Очень практичные модели, которые позволяют осветить даже лестницы, причем подсвечивают не сверху, как обычно, а на уровне ступеней. Интересное и практичное решение — при таком варианте свет не слепит глаза, а освещенность остается хорошей. Подсветка лестниц — удобно, экономно и красиво
  • Декоративные. Выполнены в виде различных фигурок. В дневное время они выглядят как обычный декор, в ночное дополнительно еще излучают свет. Монтажа в данном случае нет — просто ставят светильник в предназначенное для него место. Схема устройства автономного уличного освещения от солнечных батарей

    Плюс такого решения — имеется некоторый запас энергии (зависит от емкости аккумулятора), что гарантирует работу даже после пасмурного дня. Недостатки — высокая цена и необходимость прокладки кабелей, так как все требуется объединить в единую систему.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

  • температуры воздуха и самой батареи;
  • правильности подбора сопротивления нагрузки;
  • угла падения солнечных лучей;
  • наличия/отсутствия антибликового покрытия;
  • мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Как работает солнечная батарея

Все живое на земле возникло, благодаря энергии солнца. Ежесекундно на поверхность планеты поступает огромное количество энергии в виде солнечного излучения. В то время, как мы сжигаем тысячи тонн угля и нефтепродуктов для обогрева жилища, страны, расположеные ближе к экватору изнывают от жары. Пустить энергию солнца на нужды человека — вот достойная для пытливых умов задача. В этой статье мы рассмотрим конструкцию прямого преобразователя солнечного света в электрическую энергию — солнечного элемента.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий дырочной проводимостью. Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Возникший на переходе потенциальный барьер препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой. В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой — положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение. Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой — положительному.

Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше. В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Батареи работают не от солнечных лучей, а от солнечного света в принципе. Электромагнитное излучение достигает земли в любое время года. Просто в пасмурную погоду энергии вырабатывается меньше. Например, мы устанавливали автономные фонари на солнечных батареях. Конечно, бывают небольшие промежутки, когда батареи не успевают полностью заряжаться. Но в целом за зиму это не так уж и часто происходит.

Интересно, что даже если на солнечную панель попадает снег, она все равно продолжает преобразовывать солнечную энергию. А за счет того, что фотоэлементы нагреваются, снег сам оттаивает. Принцип такой же, как подогрев стекла у машины.

Идеальная зимняя погода для солнечной батареи морозный безоблачный день. Иногда в такие дни даже рекорды по генерации можно устраивать.

Зимой эффективность солнечной батареи падает. В Москве и Подмосковье в среднем в месяц она вырабатывает в 8 раз меньше электроэнергии. Скажем, если летом для работы холодильника, компьютера и верхнего освещения дома нужен 1 кВт энергии, то зимой для надежности лучше запастись 2 кВт.

При этом на Дальнем Востоке продолжительность солнечного сияния больше, эффективность снижается всего в полтора-два раза. Ну и, конечно, чем южнее, тем меньше разница между зимним и летним периодом.

Так же важен угол наклона модулей. Можно выставить универсальный угол, на целый год. А можно каждый раз менять, в зависимости от сезона. Делают это не владельцы дома, а специалисты, которые выезжают на место.

Теперь немного формул о принципе работы солнечных батарей.

Как работает солнечная панель? К примеру, солнечная батарея замкнута на нагрузку с измерянным сопротивлением (Rн)
. В цепи, следовательно, появляется ток (I)
. При этом показатель I
формируется в прямой зависимости от качества преобразователя в цепи, силой солнечного освещения и сопротивления. Далее разберём
.
— это напряжение, которое создаётся на зажимах солнечных батарей. В итоге зная эти показатели, мы можем высчитать мощность, которая появляется в нагрузке на установку: Pн = IнUн

Однако оптимальное сопротивление у каждой панели своё и зависит оно от уровня КПД.

При пасмурной погоде заряд аккумуляторов из-за меньшей выработки панелями электричества, естественно снижается.
Во время такого процесса, электроэнергию принимает приёмник. Другими словами, аккумуляторы работают всегда либо на заряд либо на разряд. Этот механизм взаимодействия управляется контроллером.

Чаще всего работа аккумуляторов в цепи устроена таким образом, что они очень быстро заряжаются до 80-90%, а потом долго набирают остаток заряда.
На сегодняшний день самые эффективные для использования в системах альтернативного снабжения электроэнергией батареи — гелевые. Такие батареи не требуют обслуживания и неприхотливы в условиях работы. При этом срок службы обычно достигает 10 лет.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

Альтернативные источники энергии с каждым днем становятся все актуальнее. Причина тому — экологичность, возобновляемость, дешевизна. Энергия солнца — один из самых выгодных источников энергии. Ближайшие несколько миллиардов лет оно будет продолжать освещать нашу планету, отдавая огромное количество энергии, в отличии от газа и нефти. Сегодня мы научились использовать этот источник с помощью системы солнечных панелей, но мало кто понимает принцип работы солнечной батареи.
Давайте разберемся.

Для начала нужно понять, что система солнечного электроснабжения дома
это не только те черные или синеватые панели, которые устанавливаются на крышах домов. Эти светоприемники лишь один из четырех составляющих общей системы, в которую входят:

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий