Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

Солнечная энергия – один из самых перспективных и стремительно развивающихся альтернативных источников электричества. Это безграничный ресурс, который можно использовать в любой точке планеты, не загрязняя окружающую среду. Согласитесь, неплохо бы было обзавестись собственным альтернативным источником электроэнергии.

Оказывается, теперь солнечную энергию можно преобразовывать в электричество прямо у себя дома. Вместо громоздких и хрупких каркасных панелей теперь все чаще применяют гибкие солнечные батареи. Но как это реализовать на практике?

Мы поможем разобраться с устройством гибких солнечных панелей и принципом их работы. Полезные рекомендации по выбору и монтажу конструкций изложены в нашей статье. А для простоты восприятия информации статья содержит тематические фотографии и видеоролики.

Что такое солнечные батареи?

Для того чтобы понять, подходят ли вам гибкие панели для получения электроэнергии, нужно разобраться с теорией.

Что такое солнечная батарея, чем строение гибких моделей отличается от остальных? А так же очень важно еще до покупки выяснить преимущества и недостатки конкретно этого типа солнечных элементов.

Строение и принципы работы гибких панелей

Принцип работы солнечной батареи построен на таком понятии, как фотовольтаика. Свет, как известно, может быть рассмотрен и как волна, и как поток частиц – фотонов. Возможность преобразовывать энергию фотонов в электричество и есть фотовольтаика.

Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

Первые прототипы современных солнечных батарей были изобретены еще в 50-х годах. С тех пор они существенно изменились как внешне, так и по принципу работы. Фотоэлектрический эффект стал возможен благодаря использованию полупроводников

Полупроводник – это материал, который имеет особое строение атома. Полупроводник n-типа имеет лишние электроны, а у атомов полупроводника p-типа их не хватает. Чтобы собрать фотоэлемент, объединяют 2 типа материалов, образуя двуслойную конструкцию.

Галерея изображенийФото из Разработка и внедрение в эксплуатацию гибких солнечных батарей существенно расширило сферу использования и варианты установки полезных в быту приборов Напыление кристаллов кремния, обладающих фотоэлектрическими свойствами, на гибкую основу устранило основной недостаток солнечных батарей — хрупкость Напыление фотоэлектрического слоя производится на тонкие металлические пластины, полосы, полимерную пленку. В зависимости от жесткости основания батарея может гнуться на угол от 30º до 180º, сворачиваться в рулон Гибкую солнечную панель можно выгнуть так, что она соберет максимально возможное количество солнечных лучей Наклейка гибкой солнечной панели на павильон летнего бассейна из поликарбоната позволит наиболее рациональным способом поддерживать приятную для купания температуру в искусственном водоеме Расположение гибкой солнечной батареи на крыше палатки, кемпера, солнечного тента избавит от необходимости искать место для размещения повербанка во время отдыха за городом Использование гибких солнечных батарей в приоритете, если мини электростанцию предполагается установить на конструкции необычной формы. Задумка архитектора при этом не пострадает Именно гибкие солнечные батареи рекомендовано монтировать на крыши, несущая способность которых изначально не рассчитывалась на установку дополнительных конструкций Крепление батареи на ламель жалюзиПортативное зарядное устройство с гибким фотоэлементомРадиус изгиба солнечной батареиФормирование максимально эффективной поверхностиНаклейка солнечной батареи на поликарбонатЭкономное использование свободного местаРазумное отношение к архитектурным формамВажное преимущество — легковесность системы

Отдельные фотоэлементы объединяются в панели. Панели могут быть жесткими, в прочной металлической раме. Сейчас идет тенденция к облегчению конструкции фото-панелей. Популярность набирают гибкие и легкие солнечные элементы.

Принцип действия солнечной батареи можно описать так:

  • Солнечный свет попадает на поверхность фотоэлемента со стороны n-слоя.
  • Фотоны сталкиваются с атомами полупроводника, «выбивая» лишние электроны.
  • Свободные электроны двигаются в сторону р-слоя и попадают в атомы с недостатком частиц.
  • В результате верхний слой выступает в качестве катода, а нижний – анода.
  • Вырабатывается постоянный ток, которым можно легко зарядить аккумулятор.
  • В качестве полупроводника используют кремний, селен и еще многие, более дорогие материалы.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Постоянный ток, получаемый от солнечной панели, должен быть преобразован в переменный, поскольку большинство электроприборов работают именно на нем

    Для гибких пленочных солнечных батарей применяют и полимерное напыление с алюминиевыми проводниками. Такое строение делает панели удивительно тонкими и легкими.

    Эта технология только начинает развиваться, но то, что она имеет большие перспективы не вызывает сомнений. Но мы рассмотрим гибкие панели в широком смысле этого определения.

    Более подробно о принципах работы солнечных батарей можно прочесть перейдя по ссылке.

    Преимущества гибких солнечных элементов

    Преимущества гибких солнечных панелей делают этот метод производства электричества одним из самых перспективных:

    • вес;
    • размер;
    • эластичность;
    • производительность;
    • универсальность;
    • экономичность;
    • экологичность;
    • простота эксплуатации.

    Геометрические и физические параметры панелей, такие как размер и вес, имеют большое значение, поскольку для обеспечения электроэнергией целого жилого дома панелей потребуется большое количество, при использовании тяжелых моделей может возникнуть необходимость усиливать конструкцию здания, что значительно увеличит расходы на установку.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Легкие и компактные гибкие элементы не смогут существенно повлиять на распределение нагрузки на каркас здания. Они не несут никакой опасности для покрытия крыши

    Производительность кремниевых батарей достаточно высокая. Оценить коэффициент полезного действия в данном случае сложно, панели из полупроводников способны преобразовывать свет в электричество на 20% в среднем.

    То есть, если мощность солнечного излучения составит 200 Вт, электроэнергии будет получено около 40 Вт.

    Гибкие аморфные солнечные панели гораздо более терпимы к пасмурной погоде, нежели обычные жесткие конструкции на основе кремния.

    Для сравнения, стандартная солнечная батарея в пасмурную погоду способна работать только на 10% своей мощности, в то время как гибкая панель выдает около 50% от номинальных значений.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Гибкость солнечной батареи позволяет оборудовать ею крыши с неровной поверхностью, черепичные кровли, покрытия сложной формы. При этом они достаточно универсальны, подходят для установки на крышу или фасад здания

    Солнечный свет – ресурс бесплатный и неограниченный. Это его несомненный плюс, в чем и выражается безусловная экономичность солнечных панелей.

    Кроме того, такой метод производства энергии полностью экологически чист, никак не отражается на состоянии окружающей среды и не вредит ей. Более того, отказываясь от популярной альтернативы солнечной энергии – тепловых электростанций, человечество снижает уровень загрязнения атмосферы.

    Недостатки солнечных батарей гибкого типа

    Недостатков у гибких солнечных панелей тоже хватает. Во-первых, эта технология только развивается и еще не достигла пика своих возможностей. По производительности гибкие аморфные батареи уступают жестким поли- или монокристаллическим.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Строение и принцип работы гибких панелей довольно сложный, но пользоваться ими сможет каждый. Достаточно правильно установить и подключить оборудование

    Во-вторых, тонкая фольга и минимальный слой напыления относительно быстро выходят из строя. Гарантийный срок эксплуатации таких панелей – около 3 лет.

    После этого фотоэлементы начинают постепенно ломаться и требовать замены.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Радует тот факт, что эта отрасль развивается стремительно и уже появляются более долговечные и мощные экземпляры гибких солнечных панелей на основе аморфного кремния

    Другие недостатки присущи всем типам солнечных батарей:

    • длительность окупаемости;
    • высокая стоимость;
    • большое количество дорогостоящего оборудования, помимо самих батарей;
    • зависимость от погодных условий.

    Гибкая панель мощностью около 150 Вт стоит примерно 40 тыс. руб. или больше, в зависимости от производителя. 20 батарей, набор аккумуляторов и дополнительное оборудование будут стоить круглую сумму. С учетом стоимости 1 кВт часа электроэнергии окупать систему вам придется не один год.

    Где и как применяют солнечную энергию?

    Гибкие панели применяются в разных сферах. Прежде чем составлять проект энергообеспечения дома при помощи этих солнечных батарей, выясните, где они применяются и каковы особенности их использования в нашем климате.

    Область применения солнечных батарей

    Применение гибких солнечных батарей очень широкое. Они с успехом используются в электронике, электрификации зданий, автомобиле- и авиастроении, на космических объектах.

    В строительстве такие панели используют для обеспечения жилых и промышленных зданий электричеством.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Солнечная энергия может быть единственным источником электричества, а может дублировать традиционную схему электроснабжения, чтобы на случай недостаточной эффективности в определенный период дом не остался обесточенным

    Портативные зарядные устройства на основе гибких солнечных элементов доступны каждому и продаются повсеместно. Большие гибкие туристические панели для добычи электроэнергии в любом уголке Земного шара очень популярны среди путешественников.

    Очень необычная, но практичная идея – использовать в качестве основы для гибких батарей дорожное полотно. Специальные элементы защищены от ударов и не боятся больших нагрузок.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Гибкие батареи хороши еще тем, что могут быть применены практически в любых ситуациях. Их можно без труда разместить на крыше автомобиля или корпусе яхты

    Эта идея уже реализована. «Солнечная» дорога обеспечивает энергией окрестные деревни, при этом не занимая ни одного лишнего метра земли.

    Особенности применения гибких аморфных панелей

    Те, кто планирует начинать использование гибких солнечных панелей в качестве источника электроэнергии для своего дома, должны знать особенности их эксплуатации.

    Галерея изображенийФото из Основа, на которую нанесены кремниевые кристаллы, определяет износостойкость, а вместе с ней и область использования гибкий солнечных батарей Солнечные батареи, созданные на основе полимерной пленки, легки и удобны для переноски. На их базе сейчас выпускают переносные зарядные устройства для мобильной техники Если на зарядное устройство не предполагается активное механическое и атмосферное воздействие, батарей на гибкой полимерной пленки с защитным ламинированием — лучшее решение Наличие встроенного аккумулятора в переносных приборах, помещающихся в сумку, позволяет рационально собирать и хранить полученную энергию Энергоэффективная вставка на рюкзакеПортативное зарядное устройствоЭффективная зарядка на дачном участкеНаличие встроенного аккумулятора

    Солнечные панели с гибкой металлической основой находят применение там, где к износостойкости мини-электростанций предъявляются повышенные требования:

    Галерея изображенийФото из Любителям морских путешествий лучше отдать предпочтение гибким солнечным панелям на основе из металлической фольги. Также желательно, чтобы устройства были оснащены водоотталкивающей защитой Ввиду того, что во время прогулок на катере может подняться порывистый ветер, способный сорвать легкое полимерное устройство, лучше приобрести солнечную батарею на гибком металлическом основании Важно учесть, что наряду с повышенной износостойкостью у приборов на металлической основе есть недостаток: радиус гибки меньше, чем у полимерных На металлический кузов автофургона лучше поставить солнечные батареи с гибкой металлической основой. Так кузову нанесен будет минимальный вред Палуба морского или речного суднаТент на прогулочном речном катереНезначительный радиус гибкиУстановка на металлический кузов

    Прежде всего пользователей волнует вопрос, а что делать зимой, когда световой день короткий и электричества не хватит на функционирование всех приборов?

    Да, в условиях пасмурной погоды и короткого светового дня производительность панелей снижается. Хорошо, когда есть альтернатива в виде возможности переключения на централизованное электроснабжение. Если ее нет, нужно запасаться аккумуляторами и заряжать их в те дни, когда погода благоприятная.

    Интересная особенность солнечных батарей заключается в том, что при нагревании фотоэлемента его эффективность существенно снижается.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    В летний зной панели раскаляются, но работают хуже. Зимой, в солнечный день фотоэлементы способны улавливать большее количество света и преобразовывать его в энергию

    Число ясных дней в году зависит от региона. Разумеется, на юге использовать гибкие батареи рациональнее, поскольку солнце там светит дольше и чаще.

    Так как в течение дня Земля меняет свое положение относительно Солнца, панели лучше располагать универсально – то есть с южной стороны под углом около 35-40 градусов. Такое положение будет актуальным как в утренние и вечерние часы, так и в полдень.

    Инструкция по монтажу солнечных батарей на крыше

    Если вы решили, что гибкие солнечные батареи на основе аморфного кремния – это то, что вам нужно для обеспечения электричеством частного дома, приступайте к планированию работ.

    Подберите подходящее оборудование и прикиньте примерное количество панелей. Затем ознакомьтесь с правилами монтажа и последующего обслуживания солнечных элементов.

    Но помните, что использование традиционных кремниевых поли- и монокристаллических аналогов пока гораздо продуктивнее.

    Шаг #1. Расчет количества панелей

    Любые работы начинаются с проекта. Для проектирования нужно сделать необходимые расчёты, а именно:

    • суточное потребление электроэнергии;
    • суммарную необходимую мощность фотоэлементов;
    • емкость аккумуляторов;
    • количество панелей.

    Самое простое – посчитать потребление электроэнергии. Для этого нужно учесть абсолютно все без исключения электроприборы, которые вы используете или теоретически можете использовать.

    Простой пример:

    • холодильник – 200 Вт;
    • компьютер – 300 Вт;
    • телевизор – 150 Вт;
    • лампочки экономные – 5 штук по 20 Вт.

    Мощность каждого прибора обязательно указывается в его документации или на корпусе. После сложения всех данных получаем 750 Вт. Исходя из этого значения подбирается инвертор – прибор, преобразующий постоянный ток в переменный с нужной частотой.

    Обязательно сделайте небольшой запас и выберите инвертор на 0,5 кВт мощнее расчётного значения. То есть для суммарной мощности 0,75 кВт подойдет прибор не слабее 1,25 кВт

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Для правильного подключения солнечные батареи соединяют с аккумуляторами через контроллер. Не перепутайте контакты – плюс к плюсы, минус к минусу. От аккумулятора ток направляется к инвертору, а затем – к электроприборам

    После необходимо подобрать аккумуляторные батареи. Емкость аккумулятора (например, 200 А∙ч) показывает, ток какой силы будет выдаваться при заданном напряжении в течение часа.

    Посчитать нужную емкость можно, разделив суммарную мощность потребителей на выходное напряжение солнечной батареи. В нашем примере используем 12-ти вольтовые аккумуляторы. 750 /12 = 62,5 А∙ч.

    Но подобная формула не совсем верна, поскольку большинство батарей нельзя разряжать до 0. Есть определенное ограничение, например 40%. Если уровень заряда опускается ниже, это существенно сказывается на сроке службы и качестве работы аккумулятора.

    Этот показатель тоже нужно добавить в формулу:

    750 Вт/(12Вх0,4)=156,25 А∙ч.

    Чтобы добиться такой емкости, можно объединить в систему группу из 2 батарей по 100 А∙ч каждая.

    Количество панелей рассчитывается исходя из мощности выбранной модели и региона, в котором они будут установлены. Значение региона сложно переоценить. В идеале нужно найти значения дневного уровня солнечной радиации для вашей местности. Для достоверности берется минимальное значение за год, ориентировочно – в конце декабря.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Схематически уровень инсоляции в разных регионах можно изобразить так. Числовые значения можно найти в специализированных справочниках или в интернете

    Умножив этот показатель на количество календарных дней месяца, получаем количество киловатт, которое приходится на 1 м2 гибкой солнечной батареи за декабрь. Для примера, в Москве это 0,33х31=10,23 кВт/м2, а для Сочи – 1,25х31=38,75 кВт/м2. Этот показатель называется количеством пикочасов.

    Затем из условных максимальных 0,75 кВт, потребляемых всеми приборами одновременно, высчитываем среднемесячное потребление – около 25 кВт. За месяц наши гибкие батареи должны выработать не меньше 25 000 Вт, а лучше сделать небольшой запас и округлить до 30 кВт.

    Следовательно, на 1 пикочас в Москве должно получаться 30/10,23 = 2,93 кВт. Если выбранные панели обладают мощностью 150 Вт, то посчитать их количество не трудно: 2,93/0,15= 20 штук.

    После таких нехитрых расчетов вы сможете подобрать подходящий инвертор, контроллер, аккумулятор и сами гибкие фотоэлектрические панели в нужном количестве.

    Шаг #2. Правила монтажа

    Установка гибких солнечных элементов может быть осуществлена вами самостоятельно.

    Для этого стоит определиться, где именно вы расположите свои панели:

    • на крыше здания;
    • на фасаде дома;
    • на отдельно стоящей конструкции;
    • комбинированная схема.

    Самый популярный вариант – на крыше. Если форма или конфигурация кровли не позволяет этого сделать, лучше построить дополнительный каркас, на котором разместить батареи. Это более затратно, но, если крыша затенена или труднодоступна, этот вариант становится рациональным.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Расположение на фасаде используют тогда, когда места на крыше не хватает. Панели могут стать частью дизайнерской задумки и играть роль украшения дома

    Гибкие солнечные фотоэлектрические элементы с нижней стороны имеют липкий смолянистый слой.

    Достаточно снять защитную пленку и приклеить панель в выбранном месте. Разумеется, перед монтажом поверхность нужно очистить и вымыть.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Никакого специализированного инструмента для монтажа не нужно. Главное, позаботиться о своей безопасности во время работы на крыше. Так же очень важно соблюдать схему подключения оборудования и не нарушать последовательность

    С одной стороны модуль солнечной батареи имеет 2 выведенных кабеля. Каждая панель располагается так, чтобы эти провода можно было в последствии объединить одной шиной для последовательного подключения.

    Также рекомендуем прочесть другой наш материал, где подробно описаны схемы монтажа и способы подключения солнечных батарей. Подробнее – здесь.

    Шаг #3. Уход за системой после установки

    После установки гибких солнечных элементов за ними нужно будет постоянно ухаживать и следить, иначе их эффективность может резко снизиться. Главное – содержать панели в чистоте. Пыль, грязь, птичий помет – все эти факторы снижают производительность системы, поскольку ограничивают поглощение солнечного света фотоэлементами.

    Солнечные батареи нужно протирать по мере загрязнения. Именно поэтому размещать их в труднодоступных местах на сложной кровле не рекомендуют.

    Если ваша система не может обслуживаться вами самостоятельно, всегда можно найти исполнителя с соответствующей техникой и оборудованием. Разумеется, это будет стоит дороже.

    Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

    Мыть солнечные батареи на основе аморфного кремния, как и жесткие аналоги, можно обычной влажной губкой или тряпкой из микрофибры. Панель не боится воды (все-таки это оборудование устанавливается на улице), если мыть их регулярно, они прослужат дольше

    Еще одна проблема, актуальная для наших регионов – снег. В зимнее время батареи засыпаются снегом и перестают функционировать. Осадки нужно постоянно счищать, но не слишком грубо, иначе можно повредить само оборудование.

    Выводы и полезное видео по теме

    Видеоролики и обзоры, в которых рассматриваются гибкие панели популярных производителей, помогут сделать правильный выбор. Вы сможете увидеть, как будет выглядеть ваш дом после монтажа оборудования, специалисты помогут подобрать нужное количество батарей и рассмотрят правила установки.

    Как устроены гибкие солнечные батареи и из чего их изготавливают:

    Устанавливать гибкую батарею можно и в квартире на фасаде многоэтажки, почему бы и нет:

    Еще немного о производстве и преимуществах гибких элементов:

    Солнечные батареи дают возможность стать энергонезависимым, не мониторить цены на бензин и коммунальные услуги. Если вложить определенную сумму один раз, вы сможете неограниченно потреблять энергию для пользования бытовыми электроприборами, отопления дома и подзарядки аккумулятора электромобиля. Все больше людей переходят на альтернативную энергию, потому что за ней – будущее.

    Если у вас есть необходимые знания или опыт по теме нашей статьи, пожалуйста, поделитесь им с нашими читателями. А может, вам приходилось самостоятельно устанавливать солнечные батареи? Расскажите, как это делали вы. Свои комментарии можете дополнять фотографиями.

    Источник

    © 2021. Все права защищены.