Системы вентиляции и кондиционирования
Назад

Зарядное устройство на солнечных батареях устройство и принцип работы зарядки от солнца

Опубликовано: 07.04.2020
Время на чтение: 22 мин
0
8

Конструкция и принцип действия

В конструкцию солнечного зарядного устройства входят преобразователь, контроллер заряда, и сам аккумулятор, в котором накапливается этот заряд. Такое небольшое количество компонентов обеспечивает прибору высокую надежность и многофункциональность.

Принцип работы заключается в улавливании солнечных лучей, попадающих на панель, и дальнейшем преобразовании их в электрический ток. То есть, в данном случае используется фотоэлектрический эффект. Поэтому, в хорошую солнечную погоду электричество будет накапливаться с более высокой скоростью по сравнению с пасмурной. Кроме того, скорость накопления зависит от мощности самой панели, а ее регулировка осуществляется при помощи контроллера.

Модельный ряд солнечных зарядных устройств разделяется по мощности от 2 до 15 Вт. Зарядка аккумуляторов самых мощных приборов не превышает 5 часов. Каждый такой аккумулятор состоит из нескольких литиевых элементов с напряжением примерно 3,7 В. Соединенные в общую цепь, они способны выдавать нормальное выходное напряжение.

При отсутствии электрических сетей зарядка на солнечных батареях работает исключительно в автономном режиме, а ее эксплуатация не представляет каких-либо сложностей. Для того чтобы зарядить, например, смартфон, нужно лишь выбрать подходящий переходник и выполнить соединение с солнечной панелью. После этого батарея выставляется в наиболее удобное положение, обеспечивающее максимальный прием солнечных лучей.

Каждое зарядное устройство оборудовано несколькими портами с различной силой тока на выходе. В порт на 1 А подключаются телефоны, плееры и другие маломощные устройства, на 2 ампера – планшеты, а на 2,5-3 А – ноутбуки.

Выбор зарядного устройства

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для отопления дома.

Солнечная батарея

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Принцип работы солнечной батареи

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Солнечная батарея

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Виды солнечных батарей

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

  1. Монокристаллические.
  2. Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Зарядное устройство на солнечных батареях устройство и принцип работы зарядки от солнца

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

Устройство солнечной батареи

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Предлагаем ознакомиться  Норма температуры воды в батареях центрального отопления

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Работа фотоэлектрического преобразователя

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Зарядное устройство на солнечных батареях устройство и принцип работы зарядки от солнца

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Работа солнечной батареи

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

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.
Предлагаем ознакомиться  Как выбрать наружную вентиляционную решетку

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.

Параллельное и последовательное подсоединение

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

Как подключить

Зарядное устройство на солнечных батареях устройство и принцип работы зарядки от солнца

Автономный зарядник может соединяться с мобильными устройствами несколькими способами.

Чаще всего используются следующие типы подключений:

  • Прямое подключение зарядки к смартфону или другому мобильному устройству. Для этих целей в корпусе панели предусматриваются различные типы разъемов. Как правило, это разъемы под шнур к обычной розетке или порт под USB. Существенным недостатком такого подключения считается возможный выход из строя прибора из-за скачков напряжения.
  • Подключение с использованием переходника. Это наиболее безопасное соединение зарядки с мобильным гаджетом. Благодаря переходнику, выходное напряжение отличается стабильностью, его можно отрегулировать до нужных параметров. Такими компонентами укомплектовано большинство солнечных батарей.
  • Мобильное устройство можно подключить через аккумулятор, накапливающий электричество при солнечном свете и отдающий энергию в любое другое время. Его зарядка производится от солнечной панели, стационарной электрической сети и автомобильного прикуривателя.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

  1. Гелиопанели.
  2. Контроллер.
  3. Аккумуляторы.
  4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторы для гелиопанелей

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Обзор модели Powertraveller Solargorilla

Зарядное устройство на солнечной батареи рассмотрим на примере мощной панели Powertraveller Solargorilla, помещенной во влагозащищенный корпус. Данный прибор выдает напряжение, позволяющее заряжать практически все известные мобильные гаджеты, в том числе и ноутбуки. Это делает его незаменимым для использования в местах, где отсутствуют основные электрические сети. Аккумулятор Powertraveller Solargorilla способен достаточно быстро зарядиться под действием одних лишь солнечных лучей.

Основой конструкции служат фотоэлектрические солнечные панели, генерирующие электрический ток. Подобное зарядное устройство для телефона совершенно безопасно, подходит ко всем мобильным гаджетам, в том числе и от компании Apple.

Для изготовления панелей применяется поликристаллическое стекло, обеспечивающее более высокую производительность зарядного устройства. Благодаря ему, зарядник приобретает характерный внешний вид. Герметизация панелей выполнена с помощью специального клея, а сам корпус является водонепроницаемым. На самой панели расположен светодиод зеленого цвета, отображающий силу заряда. Его тональность зависит от интенсивности ультрафиолетового излучения.

Перед началом использования панель следует очистить от пыли и расположить перпендикулярно солнцу. В таком положении она должна оставаться не менее 10 минут для «разогрева», после чего к ней можно подключать мобильное устройство. При очистке поверхности запрещается использование каких-либо химических веществ.

Зарядное устройство на солнечных батареях устройство и принцип работы зарядки от солнца

Солнечная зарядка Powertraveller Solargorilla обладает следующими техническими характеристиками:мощность – 40 Вт, величина выходного напряжения в разъемах – 5 и 20 вольт. Габариты устройства: длина – 264 мм, ширина – 200 мм, высота – 19 мм. Масса – 700 г.

Зарядное устройство на солнечных батареях

Прожекторы на солнечных батареях

Зарядное устройство на солнечных батареях

Уличные светильники на солнечных батареях

Зарядное устройство на солнечных батареях

Электростанция на солнечных батареях

Зарядное устройство на солнечных батареях

Автомобиль на солнечных батареях

Зарядное устройство на солнечных батареях

Как зарядить аккумулятор без зарядного устройства

Зарядное устройство на солнечных батареях

Светильники на солнечных батареях

Выводы и полезное видео по теме

Что может помочь, если во время поездки ваш смартфон разрядится? Пауэрбанки. Но и они когда-нибудь разряжаются. Постоянной альтернативой являются зарядные устройства на солнечных батареях, которые можно использовать даже вдали от розеток.

Мы протестировали много моделей с солнечными элементами. Результаты показывают: если вы гуляете под солнцем, таких зарядок будет вполне достаточно. Самой мощной солнечной панели во время тестовых испытаний потребовалось примерно 3 часа, чтобы полностью зарядить смартфон среднего класса. Главное помнить, что без прямого солнечного света дело далеко не пойдет.

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.

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.

, , , , , , ,
Поделиться
Похожие записи
Комментарии:
Комментариев еще нет. Будь первым!
Имя
Укажите своё имя и фамилию
E-mail
Без СПАМа, обещаем
Текст сообщения
Adblock detector