Принцип выработки энергии солнечной панели
Солнце светит на полупроводниковый pn-переход, образуя новую пару дырок-электронов. Под действием электрического поля на pn-переходе дырка течет из p-области в n-область, а электрон течет из n-области в p-область. Вот так работают фотоэлектрические солнечные элементы.
Выработка солнечной энергии Существует два способа выработки солнечной энергии: один режим преобразования света в тепло, другой режим прямого преобразования света в электричество.
(1) режим преобразования свет-тепло-электричество использует тепловую энергию, генерируемую солнечным излучением, для выработки электроэнергии. Как правило, солнечный коллектор преобразует поглощенную тепловую энергию в пар рабочей среды и приводит в движение паровую турбину для выработки электроэнергии. Первый процесс — это процесс преобразования света в тепло; Последний процесс — термоэлектрическое преобразование.
(2) метод прямого преобразования света в электричество использует фотоэлектрический эффект для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Основным устройством преобразования света в электричество является солнечная батарея. Солнечная батарея является своего рода устройством, которое напрямую преобразует энергию солнечного света в электрическую энергию благодаря фотоэлектрическому эффекту. Это полупроводниковый фотодиод. Когда солнечный свет попадает на фотодиод, фотодиод преобразует энергию солнечного света в электрическую и генерирует ток. Когда многие ячейки соединены последовательно или параллельно, они могут стать солнечными батареями с относительно большой выходной мощностью.
Уникальная солнечная батарея продолжает работать даже после захода Солнца
Устройство вырабатывает электроэнергию ночью за счет разницы температур между солнечным элементом и окружающей средой.
Читайте «Хайтек» в
Исследователи из Стэнфордского университета сконструировали фотогальванический элемент. Он собирает энергию из окружающей среды как днем, так и ночью. Устройство использует тепло, утекающее с Земли обратно в воздух, — энергию того же порядка, что и поступающее солнечное излучение.
Разработка использует термоэлектрический модуль для генерации напряжения и тока из температурного градиента между фотоэлементом и воздухом. Этот процесс зависит от тепловой конструкции системы.
Инженеры продемонстрировала выработку электроэнергии на своем устройстве днем, когда оно работает в обратном направлении и обеспечивает дополнительной энергией обычный солнечный элемент, а также ночью.
Использование электричества в темное время суток для освещения требует мощности в несколько ватт. Текущее устройство генерирует 50 мВт/м², а это означает, что для освещения потребуется около 20 м² фотоэлектрической площади.
Как отмечают авторы разработки, установка недорогая и, в принципе, может быть встроена в существующие солнечные элементы. Это будет особенно полезно при строительстве домов в отдаленных местах с ограниченными ресурсами.
Около 750 млн человек в мире не имеют доступа к электричеству в ночное время. Солнечные батареи обеспечивают электроэнергию в течение дня, но для сохранения энергии для последующего использования требуются значительные аккумуляторные батареи. Теперь инженеры решили эту проблему.
Читать далее
Что такое термоэлектрический солнечный элемент
Справочники. / ECO-технологии. / Возобновляемые, альтернативные источники энергии (ВИЭ).
Системы автономного электропитания
Солнечные элементы и батареи (фотоэлектрические генераторы, фотоэлементы) относятся к классу возобновляемых «эко» источников электропитания, преобразующих энергию солнца в электрическую.
Большинство фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) производятся из кремния, после кислорода, самого распространённого химического элемента в природе.
Плотность потока солнечного излучения для средней полосы России (51-60° с.ш.) – до 800 Вт/м 2 (это максимум, в ясный летний день, за городом, где нет смога). При таком освещении, в полдень, современные солн. панели выдают до 120 Вт (при КПД=15% и температуре 20-25°C) электрической мощности с квадратного метра.
Полупроводниковые материалы из которых производят солнечные элементы и батареи:
• на основе кристаллического кремния (жесткие, КПД 12-20% – уменьшается при нагреве – 0.45%/°С считая от +25°С, спектр 0.5-1.0 – «видимый + инфракрасный»);
• аморфный кремний (гибкие батареи, КПД 5-10%, спектр 0.2-0.7 – «ультрофиолет + видемый»);
• арсенид галия (жесткие, тяжёлые модули с КПД 10-25%, сохраняют работоспособность до температур +150°С, спектр 0.5-0.9 – «видимый», дорогие);
• сульфидно-кадмиевые (тонкоплёночные – гибкие, КПД 5-10% – стабилен до температур +100°С, спектр 0.2-0.7 – «ультрафиолет»)
Для справки – спектр электромагнитных колебаний (длины волн):
• Ультрафиолетовое излучение – 0.01 — 0.38 мкм
// в озоновом слое атмосферы Земли (на высоте 20-50 км) поглащается ультрафиолет с длиной волны – меньше, примерно 2000 ангстрем (200 нм), так называемый «дальний или вакуумный УФ». Содержащиеся в воздушной среде, водный пар, кислород и углекислый газ – так же защищают поверхность планеты от чрезмерного солнечного излучения.
• Видимый свет – 0.38 — 0.74 мкм (380-740 нанометров).
• Инфракрасное (тепловое) излучение – 0.74 — 500мкм (в диапазоне от 0,7 до 15 мкм – от ламп накаливания и открытого пламени огня, температура составляет до нескольких тысяч градусов по цельсию).
15%. Повышается мощность элементов на основе аморфного кремния. батарея солнечная (solar panel) Автономные светильники на солнечной батарее — обеспечивают автономное освещение светодиодным светильником. Комплект: солнечная батарея, микропроцессор, аккумулятор, светильник + различные датчики, сигнализаторы, системы удаленного контроля —>
Некоторые особенности эксплуатации:
• «жесткие» батареи – хрупкие, поэтому, обычно, помещаются в ударопрочный корпус;
• нельзя перегревать больше чем до 150-200 С, иначе – произойдут необратимые изменения в контактных слоях и покрытиях;
• использовать элементы с герметизирующими оболочками, для защиты от коррозии контактов, закорачивания n-p-переходов и потемнения покрытий. Для этого используют различные плёнки. Защита особенно актуальна при эксплуатации в химически агрессивной среде городов и в походных условиях;
• в комплекте надо иметь не только гибкие солнечные батареи, но и обычные кристаллические, для возможности получения электропитания при рассеянном освещении, в помещении, через «стекло» оконное.
Срок службы современных солнечных модулей – десятки лет. Дольше живут (медленнее «выгорают») кристаллические, «жёсткие» батареи.
Высокий КПД имеют «неотражающие» солнечные элементы из кристалл. кремния с минимальной величиной отражения, имеющие текстурированную рельефную поверхность и просветляющее покрытие. Такие батареи не пускают «зайчиков». Элементы, прозрачные для инфракрасного излучения – меньше греются.
Современные солнечные батареи просты в эксплуатации и надёжны. Они могут работать в широком диапазоне температур окружающей естественной среды, имеют длительный срок службы, в зависимости от условий эксплуатации. Солнечная энергетика – экологически чистая, бесшумная и практически неисчерпаемая. Солнечные электростанции – перспективное направление развития энергетики в XXI-м веке.
Солнечные зарядные устройства, в минимальной комплектации – солн. батарея с низкоомным защитным диодом Шоттки и кассетой под аккумуляторы. Может использоваться преобразователь / стабилизатор напряжения (понижающий импульсный – меньше теряет мощности) и контроллер заряда. Для получения переменного тока с напряжением 220 вольт – нужно подключать инвертор к буферному акк-ру.
Распиновка USB-разъёма, если смотреть на гнездо со строны втыкаемого штекера – показана на рисунке. Плюсовой контакт (VCC, +5V) – слева, минусовая клемма (GND, Ground) – справа. Рабочий вольтаж на питающем входе DC-DC преобразователей, стоящих, например, в мобильных зарядках – может варьировать в широком диапазоне значений (в зависимости от электрической схемы и типа применяемых микросхем).
Термоэлектрические генераторы (батареи) – современные полупроводниковые (раньше, старые модели – изготавливались, так же, из металлов и сплавов) термогенераторные модули работающие по известному принципу термопары (вырабатываемая электрическая мощность зависит от разности температур на контактах / спаях). Они, также, могут работать в качестве охладителя или нагревателя, если через устройство направить постоянный ток (элементы Пельтье). Передача и отвод тепла – обеспечиваются пименением материалов с достаточно большим коэффициентом теплопроводности.
Термогенераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.
Максимальная рабочая температура самых распространённых термоэлектрических генераторов – 200-250°C (они относятся к классу низкотемпературных). Их типовые размеры – 3 х 3 и 4 х 4 сантиметра. Напряжение, ток, мощность – порядка 2В, 1А, 2Вт (при температурах холодного / горячего спая 50 — 150 °С). Конечно, такие термоэлементы не бросишь в костёр или печь. Температура пламени костра и горячих углей достигает от 300 до 600-1200 градусов по шкале Цельсия, в зависимости от дров (твердая или мягкая древесина дают при сжигании, соответственно, больше или меньше тепла огня).
Для термоэлементов, применяемых, как в режиме генерации электроэнергии, так и для охлаждения, характерен относительно низкий КПД (коэффициент полезного действия), который, даже у многих современных моделей – не превышает 7%. Для получения электричества непосредственно на открытом пламени костра или над газовой горелкой – нужны термопары из металлических проводников, типа хромель-алюмелевых (ТХА). Для работы в качестве холодильника – больше подходят полупроводниковые термо-генераторы.
Учитывая количество теряемой тепловой энергии, во всех сферах жизни человека, и в быту и на производстве, использование термогенераторов выгодно и экономически целесообразно, а в условиях автономного пребывания в труднодоступных районах планеты, на необжитых территориях – это жизненно необходимо.
Электрогенератор («динамка»), ветрогенератор (ветряк)
Электродинамические генераторы, в автономных условиях – неплохой вариант (компактный и всепогодный, работающий в любых погодных условиях, выручающий при отсутствии ветра и солнца), по обеспечению электроэнергией зарядных устройств (DC-преобразователи с USB-разъёмом) для аккумуляторов. В мобильном варианте, для турпоходов – это ручное динамо, вырабатывающее до 1-2 Вт в нажимном варианте (фонарь жучёк) и ещё больше – вращаемые ручкой электрические генераторы.
Для изготовления самодельной динамки – хорошо подходят низкооборотистые шаговые электромоторы малой мощности (например, исправные моторчики из списанного принтера, а так же двигатель из старого сканера или пятидюймового дисковода). Но, их максимальная выходная мощность невелика – 1-3 ватт.
Обычный велосипедный динамо-генератор может выдавать, примерно, до четырёх ватт мощности и более (при езде «под горку»).
Сейчас широко распространены китайские вращательные динамомашинки (как на фотографии). Двухминутное вращение рукоятки – заряжает мобильный телефон на 1-4 минуты разговора.
Применение в фонариках энергосберегающих светодиодов вместо лампочек накаливания – обеспечивает освещение намного дольше, при той же яркости.
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка, ВЭУ) — устройство, преобразующее энергию ветрового потока в электроэнергию. Лёгкие, по весу, разборные ветряки (переносные и умещающиеся в багажнике легкового автомобиля) – могут иметь мощность от десятков ватт (относительно малогабаритные устройства) до 0.5-0.6 киловатт (мачтовые ветрогенераторы с двухметровым диаметром ветроколеса). Минимальная (стартовая) скорость ветра – 2-3 метра в секунду, рабочая скор. (для большинства походных моделей) – ~ 4-11 м/с. Должны быть и другие, дополнительные источники энергии, если местность не ветреная.
У ветроэнергетики есть и минусы. Стоимость оборудования и значительные затраты на строительство, последующее обслуживание электростанции и её ремонт – окупятся не скоро. Потребуется грамотный, обученный техперсонал на полную ставку. Каждые несколько лет – нужна замена аккумуляторов и части электрического оборудования. Примерно, через полтора десятилетия, то есть, по истечение планового срока эксплуатации – потребуется капитальный ремонт механических узлов и деталей (замена подшипников, элементов и деталей поворотного механизма, генератора) Если у вас не бытовое, малогабаритное изделие, а промышленный агрегат, то могут возникнуть проблемы при получении официальных разрешений для установки ветряка в черте городской застройки. Рано или поздно, в местную администрацию начнут поступать жалобы от населения по поводу проблем (шум и заметное нарушение работы антенного оборудования – приёма телесигнала), испорченного ландшафта и неудобства от соседства с огромным и постоянно мельтешащим «вентилятором».
«Земляной» гальванический (электролитический) элемент.
Самодельная «земляная батарея» делается из имеющихся в наличии материалов, подходящих по максимальной разности их электродных потенциалов металлов (напряжение, в режиме холостого хода, между медной и цинковой пластиной – порядка 1 вольта, см. таблицу.
читать дальше >>
Буферные аккумуляторы
Электроэнергию от солнечных батарей или термоэлектрических генераторов можно сначала накапливать в буферных аккумуляторах, используя в последующем, по мере необходимости. Часто для этого используют гелевые свинцово-кислотные (SLA, Sealed Lead Acid) и никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы различных типоразмеров.
Для примера рассмотрим NiCd-элементы размера АА (пальчиковые).
Технические характеристики, особенности эксплуатации и другая информация:
• Допустимая температура разрядки: –40-+60 °С, хранения: –50-+70°С;
• Напряжение элемента: под средней нагрузкой – 1.2В, без нагрузки – 1.30-1.38 В
• Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют самое короткое время заряда и выдерживают высокие разрядные нагрузки. Имея низкое внутреннее сопротивление , при коротком замыкании могут выдавать разрядный ток больше 4 ампер и хорошо, при этом, держат рабочее напряжение 1.2В (почти до времени полного разряда). Данные акк-ры могут использоваться как штатные (встроенные), аварийные и вспомогательные (буферные) источники питания.
• Форсированные режимы зарядки требуют контроля температуры и напряжения батареи, иначе, выделяющийся водород разорвёт корпус элемента.
• Заряжать NiCd акумулатор лучше при постоянном (стабилизированном) токе.
• Эксплуатация при высокой температуре (+40°С) за год снижает ёмкость акуммулятора на четверть.
• При зарядке элементы, обычно, соединяют последовательно – для выравнивания тока по элементам.
• Могут храниться разряженными (1 вольт на элемент). Оптимальная температура +5°С , в сухом и прохладном месте.
• Выдерживают более 1000 циклов зарядки/разрядки.
• Саморазряд меньше при низкой температуре хранения Т Т = +15 — +40 °С
I = 100 мА (14 часов, нормальный заряд током 0.1С).
I = 150-200 мА (7 ч., с контролем напряжения и температуры).
I = 250-500 мА (3 ч — ускоренный заряд, контролировать напряжение и температуру).
I = 1-2 А и дозаряд 100 mA (0.5-1 ч – быстрый заряд, с контр. U, Т)
I = 1-2 А импульсный
Особые условия – низкие, минусовые температуры, «на холоде»:
Т = +5 °С
I = 50 мА (с контролем напряженья).
Т = –20 °С
I = 20 мА
Т = –30 °С
I = 10 mA
—>
стандартные режимы зарядки NiCd:
0.1С – 14-16 ч (100 мА для аккум. на 1000 мА·ч)
0.2С – 7 ч (200 mA для акка на 1000 мАч)
// Оптимальная скорость – десятичасовая, при 1/10 С
// «С» (Capacity) – ток разряда равный номинальной (обозначенной на корпусе) ёмкости аккумулятора. Для акк. на 1000 мА·ч заряд током 0.1С равен 100mA
Параметры отсечки зарядного тока NiCd (момент, когда отключают зарядку):
– конечное напряжение на элементе достигает значений
1.40 — 1.45 вольт при комнатной температуре (20-25 С);
1.45 — 1.55 – при 0°С окружающей среды.
– перегрев, когда температура элемента питания превышает 55 градусов цельсия.
Если неизвестна степень разрядки аккумулятора, то перед зарядкой его надо разрядить до напряжения U = 1.0-1.1 В (на элемент) током 0,5 С (половина номинала ёмкости, 1 А.ч -> 0.5 А) и дать отстояться минут пятнадцать.
// В многоканальных зарядниках – на одном канале должны ставиться только однотипные аккумуляторы.
Подаваемое на элемент расчетное напряжение – 1.35-1.45 В для десятичасовой (оптимальной) скорости зарядки при комнатной температуре. В случае превышения этих значений, например вдвое – последовательно включают балластный резистор с электрическим сопротивлением до нескольких десятков Ом. Такой же эффект даёт диод, на котором падает часть напряжения и который предотвращает обратный разряд (саморазряд, возможный при работе в цепи с солнечной батареей, при недостаточном освещении или в темноте).
При сверхразряде (U 5 А (примерно 20-50 миллиампер для батареи ёмкостью 1Ач при температуре +15-+40 С, при минусовых – в несколько раз меньше) и переходя при нештатной ситуации в режим разряда – питания аварийного освещения и т.д. На малом токе перезаряд NiCd-аккумуляторам не страшен, в отличие от свинцовых, для которых нужен специальный контроллер, отключающий зарядку при достижении напряжения 14,5В на 12-вольтовой батарее.
Нагрузка: пиковая / оптимальная NiCd 20С 1С NiMH 5С 0,5С и ниже Lead Acid(свинцово-кислотн)5С 0,2С Li-Ion >2С 1С и ниже Li-Ion Polymer >2С 1С и ниже Батарейка Alkaline 0,5С 0,2С и ниже
// Разрядка большим током, с пиковой нагрузкой – вызывает быстрый нагрев элемента / батареи.
Для новых никель-металл-гидридных акков допустимые токи заряда и разряда – меньше (в 2-4 раза) чем у NiCd и они плохо переносят переразряд ( тест на профориентацию
www.teleradio.ru – схемы телевизоров бесплатно. | Автономные источники питания оборудования.
Copyright © 2007-2024, KAKRAS.RU
Ученые изобрели солнечные панели, которые дают электричество даже ночью: как это работает
Виртуальный мемориал погибших борцов за украинскую независимость: почтите Героев минутой вашего внимания!
Группа исследователей из Стэнфордского университета разработала солнечные батареи, способные производить электричество даже ночью – с помощью системы улавливания тепла. Причем перестраивать панели для этого не нужно, достаточно установить дополнительное устройство. Это серьезный прорыв, ведь использование солнечных электростанций (СЭС) серьезно ограничивается тем, что энергия производится только днем.
Инженер Сид Ассававоррарит вместе с коллегами создал устройство, которое использует неочевидный факт о солнечных панелях. «Днем свет исходит от Солнца и попадает на солнечный элемент, а ночью происходит нечто противоположное», – говорится в исследовании, опубликованном Applied Physics Letters.
Так, солнечные панели, как и все, что теплее абсолютного нуля, излучают инфракрасное излучение. По сути, это фотоны, которые движутся от панели в небо, унося с собой тепло.
Поэтому в ясную ночь, когда нет облаков, инфракрасная панель становится заметно холоднее окружающего ее воздуха. В облачную погоду эффект работает плохо из-за того, что облака отражают излучение.
Устройство Ассававоррарита называется «термоэлектрический генератор». Оно позволяет улавливать тепло, которое поступает из воздуха на солнечную панель и превращать его в электричество.
Ученые достигли ночной выработки электроэнергии 50 мВт на кв. метр при ясном небе. Более того, устройство работает и в обратном направлении в течение дня – это дает дополнительную мощность для обычного солнечного элемента.
Исследование показало, что система может быть встроена в уже существующие солнечные панели. Ученые утверждают: термоэлектрический генератор легко построить, он использует базовые компоненты, что позволяет устанавливать его в удаленных регионах.
Это важный показатель, ведь примерно миллиард человек в мире не имеет доступа к электрическим сетям. Благодаря инновации они смогут эффективнее использовать СЭС.
Как сообщал OBOZREVATEL, В Южной Корее расширили одну из крупнейших в мире плавучих солнечных электростанций. Теперь более 92 тыс. солнечных панелей в форме цветов плавают на поверхности водохранилища у плотины Сэмангым. При этом Южная Корея остается в значительной степени зависимой от импорта ископаемого топлива.