Зачем нужны прозрачные панели?
Прозрачные солнечные элементы могут иметь огромное значение для возобновляемой энергетики. Сегодня возможности для установки солнечных элементов ограничены. Вы, например, не можете вставить классическую панель вместо оконного стекла, поскольку весь функционал окна при этом теряется. Вы попросту закрываете себе обзор непрозрачным листом. Окна, между тем, носят не только декоративное значение, но и позволяют экономить на освещении в светлое время суток. Отгородившись от дневного света, вы начнете потреблять больше электроэнергии, нивелируя весь позитивный эффект солнечной панели.
Прозрачные солнечные батареи можно использовать буквально везде, где используется обычное стекло — в окнах, стеклянных мансардах, даже в дисплеях электронных устройств. Представьте только, что ваш смартфон генерирует энергию собственным дисплеем. Конечно, этой энергии ему не хватит для полной автономии, но какое-то дополнительное время работы он выиграет.
Система солнечной электростанции
На картинке внизу показана типовая электростанция, работающая на солнечном свете. Она состоит из следующих элементов:
- солнечная панель (одна или несколько объединенных в единую систему) – собирает энергию и преобразует в электрическую;
- контроллер – нужен для оптимизации работы солнечных панелей, а также снижения потерь при транспортировке энергии по электросистеме станции;
- инвертор – преобразование постоянного тока в переменный;
- аккумулятор – собирает и сохраняет накопленную электроэнергию.
Система солнечной электростанции
Аккумулятор позволяет использовать накопленную за дневного время электроэнергию. Контроллер также предохраняет АКБ от перезарядки. Таким образом, при достижении на аккумуляторе максимального уровня заряда контроллер автоматически понижает напряжения до уровня, необходимого для сохранения заряда, не нагружая аккумулятор излишним напряжением. А инвертор необходим для того, чтоб бытовые приборы и осветительная сеть могли использовать электроэнергию, получаемую через батареи.
Обработка наночастиц [ править ]
Экспериментальные несиликоновые солнечные панели могут быть изготовлены из квантовых гетероструктур , например углеродных нанотрубок или квантовых точек , встроенных в проводящие полимеры или мезопористые оксиды металлов. Кроме того, тонкие пленки из многих из этих материалов на обычных кремниевых солнечных элементах могут повысить эффективность оптической связи с кремниевым элементом, тем самым повышая общую эффективность. Изменяя размер квантовых точек, клетки можно настроить на поглощение волн различной длины. Хотя исследования все еще находятся в зачаточном состоянии, фотоэлектрические элементы, модифицированные квантовыми точками, могут обеспечить до 42% эффективности преобразования энергии за счет генерации множественных экситонов (MEG).
Исследователи Массачусетского технологического института нашли способ с помощью вируса повысить эффективность солнечных батарей на треть.
Литий-металлические батареи
Литий-металлические аккумуляторы имеют все шансы изменить расстановку сил на авторынке. Их энергетическая плотность равна 1 кВт·ч на литр объема, что почти в два раза больше, чем у литий-ионных батарей. Как утверждают в MIT Technology Review, благодаря этому электрокары заряжаются гораздо быстрее, а главное — заряда хватает на 80% дольше, чем с литий-ионными аккумуляторами. Такие показатели сохраняются и после 800 циклов.
Американский стартап QuantumScape (среди его инвесторов — Билл Гейтс), который занимается разработкой литий-металлических батарей, провел первые тесты в декабре 2020-го. После успешных испытаний он уже заключил сделку с Volkswagen, который начнет выпускать электромобили с этими аккумуляторами в 2025 году.
Скептики утверждают, что результаты тестов пока рано считать успешными: их проводили на однослойных ячейках, тогда как в реальных аккумуляторах они должны быть многослойными. При массовом производстве это может привести к непредвиденным рискам.
Этапы подключения панелей к оборудованию СЭС
Подключение солнечных панелей представляет собой поэтапный процесс, который может быть выполнен в разном порядке. Обычно производят соединение модулей между собой, затем собирают комплект оборудования и аккумуляторы, после чего панели подключают к приборам. Это удобный и безопасный вариант, позволяющий проверить правильность соединения всех элементов перед подачей напряжения. Рассмотрим эти этапы внимательнее:
К аккумулятору
Разберемся, как подключить солнечную батарею к аккумулятору.
Поэтому между фотоэлектрическими элементами и батареями обязательно устанавливают контроллер, обеспечивающий штатный режим зарядки и отдачи энергии. Кроме того, на выходе контроллера обычно устанавливают инвертор, чтобы иметь возможность преобразования накопленной энергии в стандартное напряжение 220 В 50 Гц. Это наиболее удачная и эффективная схема, которая позволяет батареям отдавать или получать заряд в оптимальном режиме и не превышать свои возможности.
Перед тем, как подключить солнечную панель к аккумулятору, необходимо проверить параметры всех компонентов системы и убедиться в их соответствии. В противном случае результатом может стать потеря одного или нескольких приборов.
Иногда используется упрощенная схема подключения модулей без контроллера. Этот вариант применяется в условиях, когда ток от панелей заведомо не сможет создать перезаряд аккумуляторов. Обычно такой способ применяют:
- в регионах с коротким световым днем
- низким положением солнца над горизонтом
- маломощными солнечными панелями, не способными обеспечить избыточный заряд АКБ
При использовании этого метода необходимо обезопасить комплекс, установив защитный диод. Он ставится как можно ближе к аккумуляторам и защищает их от короткого замыкания. Панелям оно не страшно, но для АКБ это весьма опасно. Кроме того, при расплавлении проводов сможет начаться пожар, что создает опасность для всего дома и людей. Поэтому обеспечить надежную защиту — первоочередная задача владельца, решение которой должно быть выполнено до ввода комплекта в эксплуатацию.
К контроллеру
Второй способ часто используется владельцами частных или загородных домов для создания низковольтной осветительной сети. Они приобретают недорогой контроллер и подключают к нему солнечные панели. Устройство компактное, по размерам соотносимо с книгой средних размеров. Оно оснащено тремя парами контактов на лицевой панели. К первой паре контактов подключают солнечные модули, к другой — присоединяют АКБ, а к третей — освещение или другие низковольтные приборы потребления.
Сначала на первую пару клемм подают напряжение 12 или 24 В от аккумуляторов. Это проверочный этап, он нужен для определения работоспособности контроллера. Если прибор верно определил величину заряда батарей, приступают к подключению.
К третьей паре контактов присоединяют низковольтные светильники или иные приборы потребления, питающиеся от 12 (24) В постоянного тока. Больше ни с чем соединять такой комплект нельзя. Если необходимо обеспечить питанием бытовую технику, надо собирать полнофункциональный комплект оборудования — частную СЭС.
К инвертору
Рассмотрим, как подключить солнечную панель к инвертору.
Сам процесс никакой сложности не составляет. В комплекте с инвертором идут два провода, обычно черного и красного цвета («-» и «+»). На одном конце каждого провода есть специальный штекер, на другом — зажим типа «крокодил» для присоединения к клеммам аккумулятора. Провода согласно цветовой индикации присоединяют к инвертору, затем подключают к аккумулятору.
Испытания PlasticARM
Несмотря на все преимущества технологии TFT, аморфный кремний имеет ряд своих недостатков, включая низкую производительность, энергоэффективность и плотность размещения транзисторов. Впрочем, многие потенциальные рынки применения гибкой электроники – такие как устройства интернета вещей, носимая (надеваемая электроника), маркировка продуктов и другие, не требуют особо высокой производительности, подчеркивают авторы проекта.
Гибкий микропроцессор PlasticARM работает на частоте до 29 кГц. Его потребление энергии не превышает 21 мВт, преимущественно (более 99%) статически. На процессор приходится 45% расхода потребляемой энергии, на память 33% и на периферию 22%. Для гибких процессоров это, безусловно, рекордное достижение, однако тот же процессор ARM Cortex-M0+, выполненный по традиционной «негибкой» технологии CMOS, потребляет немногим более 10 мВт на частоте до 1 МГц.
Чип оснащен 28 контактами. В его конструкции не используются специальные методы уменьшения электростатического разряда, вместо этого все входы содержат конденсаторы емкостью 140 пФ, а выходы управляются выходными драйверами с активными запирающими транзисторами.
Облачные хранилища получили трехуровневую защиту от вымогателей
Облака
По итогам тестовых испытаний разработчики сообщили о полной функциональности чипа PlasticARM, успешно выполнившем тестовые программы, зашитые в ПЗУ на стадии производства. В будущих реализациях процессора разработчики обещают использовать ПЗУ с возможностью обновления программного кода после изготовления.
Транзисторные структуры IGZO TFT известны высокой гибкостью – вплоть до радиуса кривизны 3 мм без повреждений. Авторы статьи сообщили, что многократные испытания чипов PlasticARM подтвердили эти показатели.
Устройство и принцип работы солнечных панелей
Принцип работы солнечной батареи Первый вопрос, который волнует владельцев частных домов: «Как работает солнечная батарея для электроснабжения?». Давайте разбираться. Принцип функционирования заключается в эффекте полупроводников. Кремний отлично справляется с этой задачей
Однако важно понять, как возникает эффект полупроводников при нагревании панелей
Фотоэлементы являются полупроводниками. А любой полупроводник — это такой тип материала, в атомарной структуре которого либо есть лишние электронные пары, либо их нет. Исходя из этого можно классифицировать полупроводник как материал, состоящий из двух слоев с разной проводимостью. Именно они и выступают в качестве катода (n) и анода (p) при подключении полупроводника (а в нашем случае фотоэлемента) в электрическую цепь.
Затем электроны переходят в цепь и проходя через нагрузку (аккумулятор) накапливают энергию, которая в свою очередь может быть потрачена на освещение, обогрев или работу тех или иных электроприборов.
Принцип работы солнечной электростанции для жилого дома
Разумеется, один фотоэлемент вырабатывает сравнительно небольшое количество энергии, поэтому солнечная батарея для частного дома должна быть многофункциональной. Это модули из множества фотоэлементов, объединенных в общую цепь – панель.
Также важно помнить, как правильно крепить модуль на крышу дома. Размещать панели нужно на хорошо освещенном участке, на балконе, веранде или прилегающей территории
Размещать панели нужно на хорошо освещенном участке, на балконе, веранде или прилегающей территории.
Чтобы лучи падали под углом в 90 градусов (южное направление). А сила тока солнечной системы зависит от интенсивности освещения.
Рассмотрим устройство солнечных батарей. В панели каждый фотоэлемент крепится в своей ячейке, чтобы была возможность легкой замены в случае поломки или выхода из строя отдельных блоков разной мощности. Сама конструкция для защиты от факторов окружающей среды, а также механического или иного физического воздействия покрывается прочной пластмассовой пластиной или каленым защитным стеклом.
2020
Ученые из Санкт-Петербурга нашли способ удешевить высокоэффективные солнечные батареи
4 февраль 2020 года в ИТМО сообщили, что группа ученых из Санкт-Петербурга предложила и экспериментально опробовала технологию создания высокоэффективных солнечных батарей на основе А3В5 полупроводниковых соединений на кремниевой подложке, которые в будущем могут иметь эффективность в полтора раза больше и при этом более низкую себестоимость, нежели фотовольтаические преобразователи с одним каскадом. Появление данной технологии некогда было предсказано нобелевским лауреатом Жоресом Ивановичем Алферовым. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.
В ИТМО отметили, что когда в мире сокращаются запасы источников углеводородного топлива и все больше растет обеспокоенность общественности относительно экологии, ученые уделяют пристальное внимание развитию так называемых «зеленых технологий». Одной из самых популярных тем является развитие солнечной энергетики.. Однако более широкому использованию солнечных батарей препятствует ряд проблем
Ставшие традиционными кремниевые солнечные батареи имеют сравнительно небольшую эффективность – около 20-25%. Более эффективные технологии требуют заметно более сложных полупроводниковых соединений, что значительно повышает цену самих солнечных элементов.
Однако более широкому использованию солнечных батарей препятствует ряд проблем. Ставшие традиционными кремниевые солнечные батареи имеют сравнительно небольшую эффективность – около 20-25%. Более эффективные технологии требуют заметно более сложных полупроводниковых соединений, что значительно повышает цену самих солнечных элементов.
Петербургские ученые предложили решение данной проблемы. Исследователи из Университета ИТМО, Академического университета им. Ж.И. Алферова и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе показали, что A3B5 структуры можно вырастить на дешевой кремниевой подложке, что позволит существенно сократить стоимость многокаскадного солнечного элемента.
|
«Наша работа посвящена созданию эффективных солнечных элементов на основе А3В5 на кремниевой подложке. Главная сложность синтеза полупроводниковых соединений на кремниевой подложке состоит в том, что полупроводник должен обладать таким же параметром кристаллический решетки, как у кремния. Грубо говоря, атомы этого материала должны находиться на таком же расстоянии друг от друга, что и атомы кремния. К сожалению, полупроводников, отвечающих этому требованию, немного. К примеру, фосфид галлия (GaP). Однако он сам не очень подходит для создания солнечных элементов, так как плохо поглощает солнечный свет. Но вот если взять GaP и добавить азот N, мы получим раствор GaPN. Уже при малых концентрациях N данный материал становится прямозонным и хорошо поглощает свет, при этом может быть интегрирован на кремниевую подложку. При этом кремний является не просто фундаментом, на который синтезируется фотоматериал – кремний сам может выступать одним из фотоактивных слоев солнечного элемента, поглощающим света в ИК-диапазоне. Одним из первых идея совмещения A3B5 структур и кремния была озвучена Жоресом Ивановичем Алферовым», отметил Иван Мухин, сотрудник Университета ИТМО, заведующий лабораторией Академического университета, соавтор исследования |
В лаборатории ученым удалось получить верхний слой солнечной батареи, интегрированный на кремниевую подложку. Если таких фотоактивных слоев будет больше, то и эффективность солнечной батареи станет существенно выше, так как каждый слой солнечной батареи будет эффективно поглощать свою часть солнечного спектра.
Пока в лаборатории был создан первый небольшой прототип солнечной батареи на основе элементов А3В5 на кремниевой подложке. На февраль 2020 года перед учеными стоит задача создать солнечный элемент, имеющий в своем составе несколько фотоактивных слоев. Такие солнечные батареи заметно эффективнее поглощают солнечный свет и генерируют электрическую энергию.
|
«Мы научились растить самый верхний слой. Эта система материалов потенциально может быть использована и для промежуточных слоев. Если добавить мышьяк As, то получится GaPNAs – из него на кремниевой подложке можно вырастить несколько каскадов, работающих в разных частях солнечного спектра. Как показали наши предыдущие работы, потенциально эффективность таких солнечных батарей может превышать 40% при концентрации света, то есть быть в 1,5 раза выше, нежели в современных Si технологиях». отметил Иван Мухин, сотрудник Университета ИТМО, заведующий лабораторией Академического университета, соавтор исследования |
Целесообразен ли солнечный коллектор воздуха?
Относительно недавно на рынке появились, и уже стали достаточно популярными, воздушные коллекторы на солнечных батареях. «Умельцы» собирают воздушные нагреватели из пивных банок и прочего мусора, снимают видео и обсуждают на форумах. В этой статье мы расскажем о конструкции воздушных коллекторов и о сфере их применения в строительстве домов.
Воздушный коллектор представляет собой некую плоскую камеру, черную изнутри, с одной прозрачной стенкой. С одной стороны в камеру заходит холодный воздух — с другой стороны выходит нагретый. Изготовить воздушный коллектор несложно, по крайней мере гораздо проще, чем водяной, но есть ряд тонкостей..
Почему так важна эффективность?
Большое значение эффективность приобретает при расчёте площади, которую вы можете использовать под систему солнечных батарей. При сопоставимых размерах описанных модулей от Amerisolar AS–6P30 280W (1.63 квадратных метра) и NeOn 340 W от LG (1.71 квадратных метра), разница в мощности на один квадратный метр на выходе будет составлять 15.6%. С одной стороны, это может показаться не очень эффективным, учитывая разницу в цене более чем в два раза, но в случае с ограниченным пространством или более агрессивной внешней средой, возможно, сдвинет ваш выбор в пользу этого известного производителя.
Увеличенный коэффициент полезного действия подчеркивает не только эффективность технологии изготовления, но и качественные материалы, используемые при изготовлении. Это сможет сказаться на сроках работы устройств, на устойчивость панелей к так называемой деградации. Не стоит забывать также и про гарантийные обязательства производителя. Имея представительства и гарантийные сервисы почти во всех уголках мира — LG сможет похвастаться более лояльным подходом к клиентам и выполнением своих обязательств.
Эффективность батарей гелиосистемы
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.
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.
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
Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.
Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.
Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.
Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.
И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.
Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.
Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.
Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.
Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.
Преимущества энергосберегающих окон
Рис. 3. как работают энергосберегающие окна
«Горячие» изделия стоят довольно дорого. Поэтому в моменты, когда перед клиентом встает вопрос о выборе продукции, предпочтение часто отдается стандартным разновидностям. Они внешне выглядят совершенно идентично, а сами клиенты не всегда понимают, какая разница между дешевой и дорогой позицией.
Теплоизоляция
Рис. 4. показатели теплоизоляции разных видов окон
Основным достоинство усовершенствованных окон является их отражающая способность. Обычное стекло быстро нагревается и остывает. Из-за этого зимой, когда на полную мощность работают отопительные системы, часть тепла уходит на отопление улицы. То есть ресурсы тратятся впустую. Особое покрытие минимизирует излучение тепла во внешнюю среду, тем самым сохраняя оптимально высокую температуру дома. При таких условиях поддерживать комфортную температуру легче, а батареям не обязательно работать на полную мощность.
Летом же комната будет защищена от перегревания. Хотя солнечный свет будет проникать в квартиру, большая часть тепла будет отражаться во внешнюю среду. Подобное устройство не гарантирует, что в квартире будет прохладнее, чем на улице, но нагреваться комната в жару будет намного медленнее.
Легкий вес
Рис. 5. отличия между стеклопакетами с одной или двумя камерами
Модификации, которые помогают сохранить тепло в помещении зимой, не несут дополнительного веса, а применяться могут к разным вариациям стеклопакета. Это означает, что однокамерная разновидность со специальным напылением будет даже более «горячим», чем стандартная конструкция из двух камер. Однокамерный профиль с усовершенствованиями будет теплее двухкамерного на 20 и более процентов.
Однокамерный профиль намного легче своих продвинутых собратьев с двумя и даже тремя камерами, но благодаря напылению – более надежный и экономный по всем позициям. Такая конструкция подойдет для установки в любой дом, хотя двухкамерный профиль не всегда подойдет для установки на «легких» стенах.
Вес конструкции не связан с ее сберегающими свойствами, ведь нанести пленку или заполнить камеру газом можно не только с однокамерной продукцией, но и с остальными разновидностями стеклопакета. Преимущество заключается в том, что можно использовать более легкое изделие и получить отличные результаты.
Отсутствие конденсата
Рис. 6. конденсат на окне
Образование конденсата происходит из-за перепадов температур зимой на улице и дома. Обычные оконные линзы быстро охлаждаются, поэтому при столкновении с теплым воздухом и высокой влажностью в помещении на поверхности появляются капли воды. Энергосберегающие изделия зимой не будут такими холодными, как стандартные. Поэтому исчезает проблема с перепадом температур, которая вызывает запотевание стекол.
Защита от выгорания
Рис. 7. виды тонированного стекла
Выгорание цветов на тканях, мебели, обоях и картинах происходит из-за слишком яркого света. Поэтому в большинстве музеев редкие экспонаты хранятся в помещениях без окон и со специальными лампами. Однако отражающая способность напыления не только прекращает теплообмен, но и снижает освещаемость комнаты. Человеку перемена вряд ли покажется заметной, однако большая часть вещей даже при постоянном нахождении на подоконнике с освещенной стороны будет дольше сохранять свой яркий оттенок.
