Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Фотоэлементы промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
• высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
• минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.[источник не указан 3015 дней]

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью[источник не указан 3015 дней]. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se₂ и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.[источник не указан 3015 дней]

Фотоэлементы промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
• высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
• минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.[источник не указан 3691 день]

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью[источник не указан 3691 день]. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se₂ и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.[источник не указан 3691 день]

Кроме того, фотоэлементы используются в защитных устройствах, в системах управления производственными процессами, химических анализаторах, системах контроля за сгоранием топлива, за температурой, для контроля качества продукции массового производства, для светотехнических измерений, в указателях уровня, в счётных устройствах, для синхронизации, для автоматического открывания дверей, в реле времени, в записывающих устройствах.

Разновидности датчиков освещённости

Обычные недорогие световые сенсоры позволяют автоматизировать освещение и подстроить его под продолжительность светового дня. Но поскольку в таком случае свет горит всю ночь, производители начали создавать модели с более широкими возможностями.

Пример фотореле с датчиком движения

Среди них:

• Фотореле с датчиком движения. Включают свет, когда в подконтрольной зоне начнёт что-то двигаться. Благодаря фотодатчику, сигнал на включение срабатывает только в тёмный период. Прибор недорогой, надёжный и компактный. Но если по территории бегают домашние животные, или в поле зрения датчика есть ветки растений, существует высокая вероятность ложного срабатывания сенсора.
• Фотореле, оснащённое и датчиком движения, и таймером. Прибор можно тонко настроить так, чтобы он срабатывал только когда нужно. Например, с 20.00 до 22.00 когда к калитке подходит гость либо возвращается хозяин.
• Фотореле с таймером. Прибор даёт возможность экономить электроэнергию, выключая свет в неиспользуемое время. Если привычки семьи устоялись и привязаны к определённому времени, такой вариант может быть очень удобным. Многие предпочитают этот вид приборов, поскольку их не обязательно монтировать на улице, таймер может подать сигнал к включению прямо из дома.
• Программируемые фотореле. Приборы этого типа самые дорогие, но превосходят другие типы по функциональности. Они дают возможность настроить включение/выключение освещение в зависимости от природной освещённости, периода времени, дня недели, сезона.

Ещё один подход к классификации фотосенсоров — вид исполнения. Различают:

• Фотореле для наружного монтажа. Устройство устанавливается на улице, чаще всего — на стене дома. Такой фотодатчик должен обладать герметичным корпусом и изготовляться из термо- и УФ-стойкого пластика.
• Фотореле для внутреннего монтажа. Прибор монтируется в основной электрощит дома на DIN-рейку. К нему прилагается выносной датчик, который необходимо закрепить на фасаде и соединить с блоком двумя проводами. Требования по защите основного корпуса в таком случае снижаются, но фотосенсор необходимо защитить от влаги и случайных ударов. Поскольку для прокладки провода придётся штробить стены, фотореле внутреннего монтажа лучше устанавливать на этапе ремонта.

Если у вас мало опыта в монтаже электроприборов, или вы опасаетесь повредить новые обои, лучше предпочесть фотореле наружного монтажа.

Производители фотореле: страны и цены

Изготовление таких приборов не требует уникального оснащения или сложных технологических процессов, поэтому наравне с западными изделиями рынок предлагает немало отечественных фотодатчиков. При этом у каждой страны есть как бюджетные, так и недорогие модели с разной степенью защиты.

Сравнительная таблица фотореле разных производителей

Если вы нашли модель с подходящим током коммутации, степенью защиты и другими параметрами среди изделий русских производителей, не стоит переплачивать за немецкий аналог. Но и слишком экономить не стоит, так как это скажется на долговечности датчика.

Фотореле IEK

В нашей стране очень популярны фотореле российского производителя IEK.

На вид фотореле IEK ФР 601 и ФР 602 одинаковые, обращайте внимание на маркировку

Таблица характеристик фотодатчиков марки IEK

Все модели датчиков этой марки изготовлены из негорючего пластика (поликарбоната), который защищает дом от случайного возгорания. По своим техническим характеристикам приборы подходят для Европы и средней полосы России, исключением могут стать только очень жаркие регионы и крайний Север.

Фотоэлектрический преобразователь

Фотоэлектрические преобразователи на основе гидрогенизированного аморфного кремния в настоящее время широко используются в качестве источников энергии для калькуляторов, часов, портативных радио — и телевизионных приемников, магнитофонов. Выпуск таких ФЭП в мире составляет миллионы штук в месяц.
 

Фотоэлектрический преобразователь ( ФЭП) предназначен для формирования электрического сигнала, адекватного изображению, спроецированному на его вход. Основными характеристиками ФЭП являются преобразование, чувствительность, спектральная и разрешающая способность. Работа ФЭП описывается и другими характеристиками: инерционностью, равномерностью передачи уровней яркости, темного поля и др. Они рассматриваются в каждом конкретном случае его использования.
 

Фотоэлектрические преобразователи угол — код выполняются обычно с подвижным кодирующим диском.
 

Фотоэлектрические преобразователи широко используют в контрольно-сортировочных автоматах в качестве первичного преобразователя размера, измерителей перемещения в станках, координатных измерительных машинах и универсальных приборах ( штан-генприборах, микрометрах и индикаторных головках), а также для измерения углов.
 

Фотоэлектрические преобразователи широко используются для измерения перемещений.
 

Фотоэлектрические преобразователи применяются для измерения ряда неэлектрических величин.
 

Фотоэлектрические преобразователи — это фотоэлементы, которые, как известно, делятся на фотоэлементы с внешним фотоэффектом и фотоэлементы с запирающим слоем.
 

Фотоэлектрические преобразователи — фотоэлементы, фотоэлектронные умножители — применяются для измерения ряда неэлектрических величин.
 

Фотоэлектрические преобразователи ( фотоэлементы) могут быть использованы для измерения различных неэлектрических величин.
 

Фотоэлектрический преобразователь без накопления зарядов возможно создать в виде так называемой системы бегущего луча. Для этого объект передачи сканируют ярким световым лучом, а отражаемый каждым из элементов объекта свет собирают с целью преобразования в видеосигнал фотоэлектронными умножителями. В качестве средств сканирования возможно использовать лазерный луч, совмещенный с каким-либо устройством развертки опти-комеханического типа, или же проекционный кинескоп ( см. гл.
 

Фотоэлектрические преобразователи применяются для измерения различных неэлектрических величин и чрезвычайно разнообразны в отношении конструкции и схемы оптического устройства, определяющего воздействие светового потока на фотоэлемент. Однако, в основном, фотоэлектрические — преобразователи можно разделить на две группы.
 

Фотоэлектрические преобразователи угол — код выполняются обычно с подвижным кодирующим диском. В подвижном кодирующем диске просвечивающиеся участки размещены по зонам аналогично расположению контактов в контактных преобразователях. Если прозрачный участок в диске находится напротив фотосопротивления данной зоны, то луч света через щель попадает на фотосопротивление и изменяет его.
 

Строение солнечного элемента

На изображении, показанном выше, можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который имеет избыток электронов, соединен с металлическими пластинами, которые выполняют роль положительного электрода, пропуская свет и добавляя элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечного элемента имеет недостаток электронов, к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20% КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.sun-battery.biz он примерно равен всего 10%, при том, что для некоторых солнечных батарей он больше, для некоторых меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен pn переход. Наиболее применяемыми и имеющими наибольший процент КПД, продолжают быть солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все более распространенными.

К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические имеют исключительно черно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи изготавливаются методом литья, они оказались дешевле в производстве. Однако и в поли-, и в монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не имеют гибкости, которая в некоторых случаях нужна.

Ситуация изменилась с появлением в 1975 году солнечного элемента на основе аморфного кремния, активный элемент которого имеет толщину от 0,5 до 1 мкм и обеспечивает ей гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на свойство аморфного кремния поглощать свет, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного кремния, эффективность солнечных батарей такого типа не превышает 12%. Для моно-и поликристаллических вариантов он может достигать 17% и 15% соответственно.

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей.

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве добавок для изготовления пластины, которая производит положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин — мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря им солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой так называемые системы. Учитывая, что солнечные элементы производят электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически ненужными. С системами на солнечных батареях все по-другому. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его производит, а ночью накопленный заряд может отдаваться потребителям.

Световые характеристики фотоэлемента

Световая характеристика фотоэлемента – это зависимость фототока от светового потока, который в дальнейшем будет попадать на фотокатод. Чувствительность фотоэлемента – это отношение величины фототока в микроамперах к величине светового потока в люменах. Фотоэлемент будет реагировать на интенсивность светового потока и его частоту. Поэтому чувствительность будет распределяться на интегральную и спектральную.

• Интегральная чувствительность – это величина тока фотоэлектронной эмиссии, которая создает в фотоэлементе всем световым потоком.
• Спектральная чувствительность – это способность реагировать на световые колебания одной частоты.

Если рассмотреть вакуумные фотоэлементы анодный ток будет обусловлен только электронами, которые будут вылетать из фотокатода. В газонаправленных фотоэлементах ток будет создаваться не только электронами, но и ионами, которые будут получены в результате ионизации газа. Этим будет полностью объясняться нелинейность их световых характеристик. Чувствительность газонаправленного фотоэлемента будет больше, чем чувствительно вакуумного фотоэлемента. Интегральная чувствительность фотоэлемента типа СЦВ-4 будет составлять 100 мкА/лм.

Для использования фотоэлементов в схемах автоматики потребуется применение усилителей с большим коэффициентом усиления. Явление внутреннего фотоэффекта будет заключаться в том, что в результате поглощения света в полупроводнике могут появляться дополнительные свободные электроны, благодаря чему проводимость вещества значительно увеличится. У нас вы также можете прочесть, какие устройства могут измерить давление.

Фотосопротивление будет состоять из светочувствительного слоя полупроводника, который имеет толщину около 1 мкм. На его поверхности будут располагаться токосъемные электроды. Сам чувствительный элемент будет монтироваться в пластмассовом корпусе так, чтобы электроды обеспечили включение фотосопротивления в схему через специальную панель.

Промышленность на сегодняшний день выпускает разнообразные фотосопротивления, которые будут иметь следующие типовые обозначения: за буквами ФС будут стоять буквы и цифры, которые имеют прямое отношение к составу материала и конструкции. Например, фотосопротивление, кроме букв ФС в своем названии может иметь обозначение А – из сернистого свинца, Б – из сернистого висмута и К – из сернистого кадмия.

https://youtube.com/watch?v=kPkqEbjgkss

Работа фотосопротивления имеет достаточно простой принцип. При освещении электрическое сопротивление падает и ток в электрической цепи будет возрастать. Мерой чувствительности фотосопротивления считается разность токов в темноте и на свету, отнесенная к величине светового потока, который будет попадать на фотосопротивление.

Чувствительность фотосопротивлений будет в несколько раз больше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

https://youtube.com/watch?v=qPk7FDRqEqg

Основными характеристиками фотосопротивления считается:

1. Спектральная чувствительность. Характеризует чувствительность фотосопротивления при воздействии на него излучения определенной длины волны.
2. Световая чувствительность. Характеризует чувствительность фотосовентильных фотоэлементов будет велика, так как система электродов образует значительную емкость.

Теперь вы точно знаете, как работают фотоэлектрические датчики. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

Типичные неисправности фотореле

Неудачи в применении фотореле чаще всего вызваны с их неправильным выбором и/или эксплуатацией. Наиболее распространены отказы, превышение ресурса, однако можно перечислить ещё ряд причин:

1. Превышение значения допустимого тока и/или напряжения.
2. Сбои, связанные с длительностью рабочего цикла (особенно, когда реле переключает очень низкие уровни сигнала или, когда реле не срабатывает очень часто, из-за чего контакты окисляются).
3. Загрязнение рабочей поверхности фотодатчиков (особо характерно для фотореле, которые обслуживают промышленное оборудование).
4. Неудовлетворительная вентиляция релейных панелей, что вызывает, перегрев MOSFEТ-транзисторов.

При надлежащем регламентном облуживании все эти проблемы можно предотвратить. Сроки службы реле и его номинальная мощность всегда указываются производителем. Эти параметры определяются для работы фотореле в условиях переключения низкого уровня и соответствуют минимальному количеству операций, которое можно ожидать без механического отказа из-за износа контактов.

Гораздо информативнее, когда разработчик указывает в инструкции по эксплуатации срок службы реле в условиях горячего переключения нагрузки, когда значения тока и напряжения максимальны (при номинальной мощности устройства). В этих случаях реле выходит из строя по факту загрязнения материала контактов, когда для срабатывания приходится увеличивать ток и напряжение: это сопровождается резким возрастанием сопротивления при прохождении управляющего сигнала. Поэтому световоспринимающие поверхности следует очищать возможно чаще, используя для этих целей химически нейтральные очистители.

При интенсивном применении датчик фотореле никогда не работают дольше, чем указано в их технической характеристике. Даже в приложениях с низким уровнем сигнала неисправности в проверяющих устройствах могут вызывать сбои устройства. В результате пусковые токи, вызванные ёмкостными нагрузками, горячим переключением и скачками напряжения ускоряют их старение.

Фотоэлемент

Широкое применение фотоэффекта стало возможным благодаря изобретению фотоэлемента. Он применяется как оптический датчик на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали без применения человеческого труда согласно созданным для этого программам. Также в кино фотоэлемент считывает запись с пленки, преобразуя ее в звук. Фотоэлементы и их применение намного упрощают нашу жизнь как потребителей электроэнергии. Связано это с тем, что они широко используются в таких аппаратах, как солнечные батареи. В них прямое солнечное излучение попадает на вещество, преобразуясь в электрический ток.

Виды фотореле

Современные фотореле объединяют с датчиками движения, датчиками присутствия и таймерами. В итоге уличное освещение включается только тогда, когда хочет его хозяин. Например, вечером, когда солнце скрылось за горизонтом, фотореле включает уличные фонари на даче.Установить прибор можно на любом садовом фонаре: у дорожек, беседок, целесообразно оснастить ими светильники на столбы забора.

Ночью они не накапливают энергию, поэтому крайне необходимо ее экономичное использование.

Благодаря запрограммированному таймеру, свет гаснет, например, в полночь. Но как только в зоне видимости датчика движения кто-то появляется, фонари опять загораются. Это может быть вышедший покурить хозяин, а может и решившийся поживиться чужими яблоками злоумышленник! Через 1-2 минуты фонари снова гаснут и включаются за полчаса до рассвета, чтобы выключится, когда уровень освещенности позволит обходиться без искусственных лучей. Такая система является отличным решением, если вы используете ночные фонари на солнечных батареях.

Это только один из сотни вариантов, на которые можно запрограммировать свои датчики света и движения. Представления о безопасности и экономии электроэнергии у каждого свои, поэтому фотореле и датчики присутствия имеют широкий диапазон настроек, которые можно устанавливать самостоятельно.

Набирающие популярность уличные светильники для дач и приусадебных участков можно и даже нужно оснастить фотореле. Это не только позволит сэкономить силы и деньги за электричество, но и существенно увеличит срок службы уличного фонаря. Про видеорегистратор с датчиком движения читайте по этой ссылке.

Фотореле бывают нескольких типов:

• С выносным фотоэлементом. Чувствительный светодиод, фототиристор, фототранзистор или другой датчик, реагирующий на степень освещенности, находится вне корпуса реле. Его располагают на улице, а само управляющее электрической цепью устройство – внутри здания или под навесом. Блок управления вставляют в электрощит, а фотоэлемент может находиться и за 100-150 метров от него.
• С встроенным фотоэлементом. Данная модель предназначена для монтажа непосредственно на самом источнике света. Из недостатков этого вида стоит отметить тот пункт, что фотореле нужно оснащать защитной противовандальной поверхностью. Причем она должна быть чистой и пропускать свет, иначе чувствительность фотореле будет снижена.
• С датчиками присутствия и движения. В начале статьи был описан пример, когда с помощью объединения датчиков освещенности, движения и присутствия можно добиться максимального удобства использования своего уличного фонаря. Конечно, подобная конструкция будет стоить дороже. Но и удобство от нее будет максимальным!
• С таймером. Таймер для уличного освещения с программным обеспечением позволяет задавать широкий диапазон реагирования. Можно установить разные режимы включения фотореле для будних и выходных, настроить его на включение на несколько минут каждый час, более рационально использовать с датчиком присутствия и так далее. Годовая программа позволяет устанавливать свои графики для каждого сезона. Можно запрограммировать таймер на выключение фотореле в дневное время, чтобы прибор «отдыхал» и не тратил попусту энергию.
• С регулируемым уровнем чувствительности срабатывания. Во многих моделях есть специальный регулятор освещенности. Каждый пользователь сам волен настроить свой датчик на срабатывание от нужного только ему уровня света. Одно и то же фотореле можно использовать в беседке, на открытой поляне или под крыльцом дома. Его настраивают на включение, например, если тучи закрыли небо, и стало темно. Или можно сделать так, чтобы во время «белых ночей» Севера фотореле отключало фонарь на улице.

Некоторые приборы имеют защиту от «ложного срабатывания». Она дает некоторую задержку на включение, чтобы фейерверк или случайный отблеск не зажгли фонарь. Про уличную, влагозащищенныую розетку читайте в этой статье.

На видео подробно рассказывается о принципах работе фотореле, о том, как его выбрать и правильно настроить: