Принцип действия и монтаж солнечных модулей.

Фотоэлектрическая солнечная батарея — установка для прямого преобразования энергии Солнца в электрическую энергию при помощи электролитического фотоэлемента. Это явление известно с 1832 г. благодаря Э. Беккерелю. Впервые в коммерческих целях технология была использована в 1952 г., когда в лаборатории "Белл" для электропитания телефонной станции был произведен фотоэлектрический элемент на основе монокристалла кремния. 

Принцип действия фотоэлектрической солнечной батареи

Фотоэлектрическая солнечная батарея состоит из нескольких фотоэлектрических солнечных модулей, электрически и механически соединенных друг с другом. Фотоэлектрический солнечный модуль – устройство, конструктивно объединяющее электрически соединенные между собой фотоэлектрические солнечные элементы и имеющее выходные клеммы для подключения внешнего потребителя.

Фотоэлектрический элемент состоит из двух тонких слоев полупроводникового материала: один с незначительной примесью, которая придает ему свойства проводника отрицательных зарядов (область n), второй также с примесью, но она превращает его в проводник положительных зарядов (область p).

Когда в зону соприкосновения двух полупроводников попадает солнечная радиация, создается электродвижущая сила, которая может перемещать электрический ток во внешнем контуре, подключенном к облостям n и p.

Основным материалом, используемым для изготовления фотоэлектрических элементов, является кремний. Кремний с примесью фосфора относится к типу n, с примесью бора – к типу p.

Солнечные модули могут генерировать электричество в течение 20 и более лет. Износ происходит в основном от воздействия окружающей среды, потому что никаких термодинамических процессов в установке не происходит, в ней нет движущихся элементов. Хорошо смонтированная солнечная батарея будет надежным, тихим и чистым источником энергии в течение многих лет.

Варианты подключения фотоэлектрической солнечной батареи

Энергия, производимая фотоэлектрическим генератором, не используется с прямым подключением к пользовательской сети. Между электропроизводящей установкой и пользовательской сетью устанавливают инвертор, чтобы получить электроэнергию в виде однофазного переменного тока на 230 В или трехфазного на 400 В.

В зависимости от целей потребителя, наличия/отсутствия и качества электросети можно выделить 3 варианта подключения фотоэлектрической солнечной батареи:

Автономное

В удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения, солнечные батареи используются для электроснабжения отдельных домов. В установках данного типа производимая электроэнергия аккумулируется в батареях и используется затем в темное время суток или в период слабой инсоляции.

Система данного типа требует, чтобы фотоэлектрическое поле имело размеры, обеспечивающее в период нормальной инсоляции как непосредственно нагрузку рабочего электрического контура, так и подзарядку аккумуляторных батарей.

Система имеет в своем составе:

фотоэлектрические модули;

контроллер заряда (служит для предохранения аккумуляторов от избыточной подзарядки фотоэлектрическим генератором, равно как от избыточной разрядки в ходе использования, поскольку и то и другое отрицательно влияет на функциональность и сокращает срок службы оборудования);

инвертор (его задача состоит в преобразовании постоянной электрической энергии, производимой фотоэлектрическим полем, в энергию переменного типа, требующуюся для питания пользовательского оборудования)

система аккумуляции (имеет в своем составе ряд подзаряжаемых аккумуляторных батарей, емкость которых полностью обеспечивает требуемый уровень автономности в отношении электропитания подключенной нагрузки)

Резервное

Резервные фотоэлектрические установки используют там, где есть соединение с сетью централизованного электроснабжения, но оно ненадежно. В случае отключения сети или недостаточного сетевого напряжения, для покрытия нагрузки используется фотоэлектрическая установка. Малые резервные фотоэлектрические установки служат для электроснабжения наиболее важной нагрузки - освещение, компьютер и средства связи. Более крупные системы могут также снабжать энергией и холодильник во время отключения сети. Чем больше мощность, необходимая для питания ответственной нагрузки, и чем дольше периоды отключения сети, тем большая мощность фотоэлектрической системы необходима.

Система имеет в своем составе:

фотоэлектрические модули;

контроллер заряда;

инвертор;

система аккумуляции

Подключение к сети

Если объект подключен к сети централизованного электроснабжения, избыток электрической энергии можно продать электросетям. Правда, это справедливо только для стран, где принят EEG – закон о возобновляемых источниках энергии, в частности, в Германии.

Система имеет в своем составе:

фотоэлектрические модули;

инвертор для подключения к сети;

интерфейс взаимодействия с электрической сетью (регулирует формы волн электроэнергии в соответствии с параметрами, определенными местной энергетической компанией);

двунаправленный электросчетчик (ведет учет электричества, полученного из сети, и электричества, отданного в сеть)

Монтаж фотоэлектрической солнечной батареи

Количество вырабатываемой генератором электроэнергии зависит от целого ряда факторов. К поддающимся изменению относят угол наклона и ориентацию установки. Критерием ориентации генератора является азимут.

Угол наклона – это угол между горизонталью и батареей. При установке на скатной крыше угол наклона задается скатом кровли. Наибольшее количество энергии воспринимается панелью батареи при расположении ее плоскости под прямым углом к направлению инсоляции. Поскольку угол инсоляции зависит от времени суток и года, ориентацию плоскости батареи следует выполнять в соответствии с высотой Солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии.

На практике идеальными для нашей широты оказались углы наклона между 30 и 45º. Азимут описывает отклонение плоскости солнечной батареи от направления на юг; если плоскость батареи ориентирована на юг, то азимут = 0º.

Установка солнечной батареи и определение ее размеров должны быть выполнены таким образом, чтобы незначительным было воздействие дающих тень соседних зданий, деревьев, линий электропередачи и т.п.

Важной частью солнечной фотоэлектрической системы является поддерживающая конструкция для солнечных панелей. Она обеспечивает правильный угол наклона панелей, а также необходимую жесткость конструкции. Комбинация поддерживающей конструкции с солнечными модулями должна выдерживать порывы ветра и другие неблагоприятные воздействия окружающей среды.

Варианты монтажа установки:

Наклонный (на крышу с любым углом наклона ската)

Горизонтальный (на плоскую крышу)

Свободностоящий (солнечная батарея с опорной конструкцией)

Интегрированный. Соединенные с сетью системы могут быть элементом конструкции здания. Более того, интеграция в здание может быть отличным способом улучшить архитектуру здания и показать, что элементы конструкции здания также могут выполнять функцию генерации электричества. Для таких применений разрабатываются и изготавливаются специальные конструкции.