Преобразование солнечной энергии в электрическую

Национальный исследовательский  ядерный университет «МИФИ»

 

Физико-технический факультет

 

Кафедра №13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад

Тема: «Преобразование солнечной энергии излучения в электрическую».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовил:

 

Как сделать солнечные батареи  своими руками.

С каждым днем выбросы углекислоты  и токсичных веществ в атмосферу  увеличивается, токсичные вещества вырабатываются при сгорании ископаемого  топлива, вследствии чего постепенно уничтожают нашу планету. Поэтому внедрение «зеленой энергии», у которой вовсе отсутствует негативное влияние на окружающую среду, уже закрепила себя как базой основ новых электротехнологий. Одной из основ таких технологий получения экологически чистой электроэнергии это технология которая преобразует солнечнй свет в электроэнергию. Далее пойдет речь о солнечных батареях, а так же их возможности в собственном доме.

В нынешнее время электроустановки в виде солнечных батарей изготовленных  в промышленных условиях, используются для полного и частичного энергообеспчения и теплообеспечения дома, и стоят в районе 15-20 тысяч долларов при гарантии работы 25 лет.

Гелиосистемы разделяют на теплообеспечения и энергообеспечения. В случае теплообеспечения используются технологии солнечного коллектора. В случае энергообеспечения происходит фотоэлектрический эффект, с помощью которого происходит генерация электричества в солнечных батареях. Далее описана технология ручной сборки солнечной батареи.

Технология ручной сборки солнечной  батареи вовсе не сложна и даже очень проста и доступна всем. Почти каждый человек может собрать солнечные батареи с относительно высоким КПД при довольно низких затратах. Это экологично, выгодно, доступно и в последнее время модно.

 

Выбор солнечных элементов для  солнечной панели

 

Приступив к созданию солнечной  электростанции, нужно учитывать, что  при ручной сборке солнечных батарей  нет нужды сразу собирать полнофункциональную  солнечную электростанцию, её в будущем  можно будет наращивать. Если первый эксперемент ручной сборки оказался положительным, то после имеет смысл увеличить функциональность солнечной электростанции.

 

Прежде всего нужно знать  что такое солнечная батарея, солнечная батарея — это прежде всего генератор, который работает на основе фотоэлектрического эффекта  и преобразует солнечную тепловую энергию в электрическую энергию. Кванты света, которые вырабатывает солнце, попадают на кремниевую пластину и выбивает электрон с последней атомной орбиты кремния. Данный эффект создает большое количество свободных электронов, которые образуют поток электрического тока.

Перед тем как приступить к сборке солнечной батареи нужно сделать  выбор в типе фотоэлектрического преобразователя. Фотоэлектрические преобразователи: монокристаллические, поликристаллические и аморфные. Для ручной сборки солнечной батареи чаще всего выбирают легко доступные в продаже поликристаллические и монокристаллические солнечные модули.

Солнечные панели из поликристаллического кремния имеют достаточно низкий КПД от 7 до 9%, но этот недостаток компенсируется тем, что поликристаллические панели практически не понижают КПД при  облачной и пасмурной погоде, гарантийная  работоспособности поликристаллических  элементов составляет примерно 10 лет. Солнечные панели на основе элекментов монокристаллического кремния имеют более высокий КПД около 13% и сроки работоспособности приблезительно 25 лет, но монокристаллические элементы сильно понижают мощность при отсутствии прямого попадения солнечного света. Величина КПД кристаллов кремния может существенно изменятся от разных производителей . На практике работы солнечных электростанций в полевых условиях можно сказать о сроке службы монокристаллических панелей более 30 лет, а для поликристаллических модулей — более чем 20 лет. Причем за весь период эксплуатации потеря мощности у кремниевых монокристалических и поликристаллических модулей составляет не более 10 процентов, а у тонкопленочных аморфных модулей только за первые два года мощность может снизится на 10-40%.

 

Разработка проекта гелиевой энергосистемы 

 

Проектирование задуманной солнечной  электростанции зависит от способа  её монтажа и установки. К примеру солнечные батареи должны устанавливаться под определенным наклоном, чтобы обеспечить прямое попадание солнечных лучей под перпедикулярным углом. КПД солнечной панели так же зависит от интенсивности световой энергии, а также зависит от угла попадания солнечных лучей.

 

Промышленные солнечные панели очень часто снабжены специальными датчиками, которые обеспечивают движение солнечных панелей по направлению  движения солнечных лучей, что очень  увеличивает стоимость солнечных  панелей. Но так же тут может быть применено ручное механическое управление углом наклона солнечных панелей. В зимнее время солнечные панели должны быть практически вертикальными, чтобы исключить налегание снега на солнечных панелях.

Схема расчета угла наклона  солнечной панели в зависимости  от времени года

Солнечные батареи следует устнавливать с солнечной стороны вашего дома, чтобы за световой день пребывание солнечных лучей на солнечных  батареях было максимально. В зависимости от географического расположения вашего дома и времени года вычисляется оптимальный угол наклона для вашего месторасположения.

Выбор оптимального статического угла наклона для кровельной солнечной  системы монокристаллического типа

 

При сооружении солнечных панелей  можно выбирать самые разные материалы  по массе и другим характеристикам. Но при выборе материалов следует учитывать максимально допустимые температуры нагрева материалов, т.к. при работе солнечных модулей на полную мощность температура не должна превышать 250 градусов по цельсию. При пиковой температуре солнечные модули теряют свою функцию производства электрического тока.

Готовые гелиосистемы зачастую не предпологают охлаждения солнечных модулей. Ручное изготовление может включать в себя охлаждение гелиосистемы и управление углом наклона солнечных панелей для регулировки температуры модуля, а так же выбор прозрачного материала, который будет поглощать ИК-излучение.

 

Как показали расчеты, в ясный солнечный  день из 1 метра солнечных панелей  можно получить 120 Вт мощности, но этого не хватит чтоб запустить даже компьютер. Солнечные панели размером в 10 метров производит уже более 1кВт электроэнергии, что позволит снабдить электроэнергией светильники, телевизоры и ваш компьютер. Для обычной семьи 3-4 человека необходимо около 300 кВт в месяц, поэтому солнечные панели должны быть размеров 20м, при условии что солнечные панели будут установлены с солнечной стороны вашего дома.

Для уменьшения месячного электропотребления советую использовать для освещения  вместо обычных лампочек, светодиодые  лампочки.

 

Изготовление каркаса солнечной  батареи 

Для изготовления корпуска солнечной  панел в основном используют алюминиевые  уголки. В интернет магазинах можно приобрести уже готовые корпуса для солнечных батарей. А так же для изготовления корпуса солнечной панели выбирают по желанию прозрачное покрытие.

Комплект рамы со стеклом  для солнечной батареи, примерная  стоимость от 33 долларов

 

При выборе прозрачного материала  можно опиратся на следущие характеристики материалов:

Если в качестве критерия выбора рассматривать показатель преломления  солнечного света, то самый минимальный  коэффициэнт у плексиглас, более  дешевый вариант это обычное  стекло, менее подходящий это поликарбонат. Но в продаже сейчас имеется поликарбонат с антиконденсатным покрытием, что обеспечивает качественный уровень термозащиты. 

Важно про изготовлении солнечных  панелей выбирать прозрачные материалы  которые не пропускают ИК-спектр, что  снизит нагревание кремниевых элементов.

Схема поглощения УФ и ИК излучения различными стеклами. а) обычное стекло, б) стекло с ИК-поглощением, в) дуплекс с термопоглощающим и обычным стеклом.

Защитное силикатное стекло с оксидом железа обеспечивает максимальное поглощение ИК-спектра. ИК-спектр хорошо поглощает любое минеральное стекло, а так же минеральное стекло более устойчиво к повреждениям, но в тоже время является очень дорогим и недоступным. 

 

Так же зачестую для солнечных  панелей применяют специальные  антибликовые сверхпрозрачные стекла, которые пропускают до 98% спектра.

 

Солнечная панель в корпусе из оргстекла 

 

 

Монтаж корпуса солнечной  батареи 

 

В данном случае будет показано изготовление солнечной панели из 36 поликристаллических солнечных  модулей размером 81х150мм. Отсюда вычисляем размеры будущей солнечной панели. Важно при расчете между модулями оставлять небольшое расстояние, которое может менятся при воздействии атмосферных воздействий, т.е. оставляйте между модулями примерно 3-5мм. В итоге получим размер заготовки 835х690мм при ширине уголка 35мм.

Самодельная солнечная батарея  изготовленная вручную, сделанная  с использованием алюминиевого профиля, очень похожа на солнечную панель фабричного изготовления. При этом обеспечивается высокая степень герметичности и прочности конструкции.

Для изготовления берем алюминиевый  уголок, и выполняем заготовки  рамки 835х690 мм. Чтобы можно было провести крепление метизов, в раме следует сделать отверстия.

На внутреннюю часть уголка дважды наносим силиконовый герметик.

Важно чтобы не было незаполненных  мест. От качества нанесения герметика зависит герметичность и долговечность батареи.

Далее в раму кладется прозрачный лист из выбранного материала: поликарбоната, оргстекла, плексигласа, антибликового  стекла. Важно силикону дать высохнуть на открытом воздухе, иначе испарения создадут пленку на элементах.

Стекло требуется тщательно  прижать и зафиксировать.

Для надежного крепления защитного  стекла используем метизы. Нужно закрепить 4 угла рамки и по периметру разместить два метиза с длинной стороны рамки и по одному метизу с короткой стороны.

Метизы фиксируются при помощи шурупов.

Каркас солнечной батареи готов. Важно перед креплением солнечных элементов, нужно очистить стекло от пыли. 

 

 

Подбор и пайка солнечных  элементов 

В данное время в интернет магазинах  представлен огромный ассортимент  изделий для самостоятельного изготовления солнечных батарей.

 

Набор Solar Cells включает комплект из 36 поликристаллических кремниевых элементов, проводники для элементов и шины, диоды Шотке и карандаш с кислотой для паяния

 

Из-за того что солнечная батарея, сделанная своими руками, ориентировочно в 4 раза дешевле заводской готовой, собственное изготовление — это  огромная экономия средств. В интернет магазинах можно приобрести солнечные модули, элементы с дефектами, при этом они не теряют своей функциональности, но придется пожертвовать внешним видом солнечной батареи.

 

Поврежденные фотоэлементы не теряют своей функциональности

 

 

 

Схема электроснабжения дома

 

Систему электроснабжения дома с использованием солнечных батарей принято называть фотоэлектрическими системами, т.е. системами, генерирующими энергию с использованием фотоэлектрического эффекта. Для собственных жилых домов рассмотрены три фотоэлектрические системы: автономная система энергообеспечения, гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система, безаккумуляторная фотоэлектрическая система, подключенная к центральной системе энергоснабжения.

 

Каждая из вышеперечисленных систем имеет свое предназначение и преимущества, но наиболее часто в жилых домах  применяют фотоэлектрические системы  с резервными аккумуляторными батареями  и подключением к централизованной энергосети. Питание электросети осуществляется при помощи солнечных батарей, в темное время суток от аккумуляторов, а при их разрядке — от центральной энергосети. В труднодоступных районах, где нет центральной сети, в качестве резервного источника энергоснабжения используются генераторы на жидком топливе.

 

Более экономной альтернативой  гибридной батарейно-сетевой системе  электроснабжения будет безаккумуляторная  солнечная система, подсоединенная к центральной сети энергоснабжения. Электроснабжение осуществляется от солнечных батарей, а в темное время суток сеть питается от центральной сети. Такая сеть более применима для учреждений, потому что в жилых домах большая часть энергии потребляется в вечернее время.

Схемы трех типов фото-

электри-ческих систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим типичную установку  батарейно-сетевой фотоэлектрической  системы. В качестве генератора электроэнергии выступают солнечные панели, которые подсоединены через соединительную коробку. Далее в сети устанавливается контроллер солнечного заряда, чтобы избежать короткого замыкания при пиковой нагрузке. Электроэнергия накапливается в резервных батареях-аккумуляторах, а также подается через инвертор на потребители: освещение, бытовую технику, электроплиту и, возможно, используется для нагревания воды. Для установки системы отопления эффективнее применять гелиоколлекторы, которые относятся к альтернативной гелиотехнологии. 

Гибридная батарейно-сетевая  фотоэлектрическая система с  переменным током .

 

Существует два типа электросетей, которые используются в фотоэлектрических  системах: на базе постоянного и  переменного тока. Использование сети переменного тока позволяет размещать электропотребители на расстоянии, превышающем 10–15 м, а также обеспечивать условно-неограниченную нагрузку сети.