Полупроводниковый р-n переход, способный преобразовывать падающее на него световое излучение в электрический ток, называют фотоэлементом. Если несколько фотоэлементов электрически и механически объединить для совместной работы в качестве источника электроэнергии, получим солнечную батарею.
Основные материалы, используемые для изготовления фотоэлементов, - кремний и арсенид галлия. GaAs обеспечивает более высокий КПД фотопреобразования - до 22 % (у Si - около 17 %), но он существенно дороже кремния. К тому же производство кремния в настоящее время освоено наиболее хорошо. По этим причинам он и является основным материалом для изготовления солнечных батарей.
Под действием света на р-n переход области р и п полупроводника приобретают разнополярные заряды, из-за чего на выводах фотоэлемента появляется напряжение холостого хода. Если к выводам подключить внешнюю цепь с нагрузкой, через нагрузку и фотоэлемент потечет ток, напряжение уменьшится, а при замыкании выводов через фотоэлемент будет течь ток замыкания.
Оптимальным будет такой режим, когда на нагрузке выделяется максимальная мощность. Этому режиму соответствуют рабочее напряжение на нагрузке и рабочий ток через нее.
Конструктивно солнечная батарея представляет собой плоскую панель, состоящую из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенную с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием. Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч. Площадь панели у больших промышленных солнечных батарей может достигать тысячи квадратных метров, а максимальная генерируемая мощность - десятков киловатт.
Небольшие солнечные батареи могут служить источниками энергии для зарядки аккумуляторов, работы электродвигателей различного назначения, питания осветительных приборов и радиоэлектронной аппаратуры в полевых условиях. Особенно эффективны эти батареи в регионах с относительно большим числом солнечных дней в году.
Характеристики солнечных модулей
Таблица 1
| Солнечный модуль | Номинальная мощность, Вт | Напряжение холостого хода, В | Ток замыкания, А | Площадь фоточувств. поверхности, м2 | Габариты модуля, мм | Масса модуля, кг | ||
| Длина | Ширина | Толщина | ||||||
| БСР-10 | 11 | 20,9 | 0,72 | 0,09 | 360 | 340 | 100 | 2 |
| БСР-20 | 22 | 20,8 | 1,44 | 0,18 | 668 | 336 | 38 | 3,8 |
| БСР-30 | 33 | 20,7 | 2,16 | 0,27 | 1000 | 336 | 38 | 4,8 |
| БСР-40 | 44 | 20,6 | 2,88 | 0,36 | 1328 | 336 | 38 | 5,9 |
| БСР-60 | 66 | 20,5 | 4,32 | 0,54 | 1000 | 668 | 38 | 9,8 |
| БСР-80 | 88 | 20,4 | 5,76 | 0,72 | 1328 | 668 | 38 | 11,5 |
| БСР-100 | 110 | 20,3 | 7,2 | 0,9 | 1665 | 668 | 38 | 16 |
Примечания:
- Рабочее напряжение на нагрузке - 16,5 В.
- Номинальная солнечная облученность фоточувствительной поверхности- 1000 Вт/м2.
- Рабочий интервал температуры окружающей среды - от -60 до +80 °С.
В настоящее время общемировая мощность, вырабатываемая солнечными установками, равна 200 МВт при суммарной площади батарей в 2 млн м2.
Ведущие позиции на мировом рынке производства солнечных батарей занимают Япония, Германия и США, которые производят до 70 % всей продукции.
Ниже помещены характеристики некоторых серийных отечественных солнечных установок различного назначения.
Кроме этих установок, предназначенных для решения конкретных задач, отечественная промышленность выпускает ряд солнечных модулей, из которых можно собирать, как из конструктора, источники электрической энергии самой различной мощности. Соответствующей коммутацией модулей можно изменять рабочее напряжение на нагрузке. Характеристики модулей сведены в таблицу 1.
ОСБ
Ориентируемая солнечная батарея ОСБ состоит из двух одинаковых панелей и гидромеханического устройства, обеспечивающего установку панелей в положение максимального облучения солнцем. Батарея смонтирована на устойчивой подставке.
Установка предназначена для зарядки аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В и питания радиоэлектронной аппаратуры.
| Номинальная мощность, Вт | 80 |
| Рабочее напряжение на нагрузке, В | 16,5 |
| Номинальный поток солнечной энергии, падающий на фоточувствительную поверхность, Вт/м2 | 1000 |
| Площадь фоточувствительной поверхности одной панели, м | 0,42 |
| Масса батареи, кг | 16 |
| Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С | -60...+80 |
БСП-10
Батарея солнечная переключаемая БСП-10 оснащена устройством, позволяющим путем коммутации групп солнечных элементов получать различные значения рабочего напряжения. Рассчитана на питание измерительной и другой радиоэлектронной аппаратуры.
| Номинальная мощность, Вт | 10 |
| Рабочее напряжение на нагрузке, В | 4,5; 6; 9; 10,5; 12 |
| Номинальный поток солнечной энергии, падающий на фоточув. поверхность, Вт/м2 | 1000 |
| Площадь фоточув. поверхности, см2 | 1000 |
| Масса батареи, кг | 2,8 |
| Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С | -40...+80 |
СЭФУ
Система энергообеспечения фотоэлектрическая универсальная СЭФУ состоит из 15 солнечных панелей, установленных на подставке, и подключенной к ним буферной аккумуляторной батареи. Система предназначена для питания аппаратуры для стрижки овец, зарядки внешних аккумуляторных батарей и бытового электрообеспечения в условиях отдаленных пастбищ. Система может работать в двух режимах.
| Номинальная мощность в режиме питания, Вт | |
| стригальной машины | 250 |
| зарядки внешних аккумул. батарей | 200 |
| Рабочее напряжение на нагрузке в режиме питания, В | |
| стригальной машины | 41 |
| зарядки внешних аккумул. батарей | 16,5 |
| Номинальный поток солнечной энергии, падающий на фоточув. поверхность панелей, Вт/м2 | 1000 |
| Площадь фоточув. поверхности, м2 | 2,2 |
| Масса батареи, кг | 36 |
| Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С | -60...+80 |
ФЭС-60
Фотоэлектрическая станция ФЭС-60 представляет собой две фоточувствительные панели, установленные на жесткой подставке. Станция предназначена для электропитания механизмов откачки меда, водяного насоса, бытовых электроприборов и приемопередающей аппаратуры в условиях выездной пасеки.
| Номинальная мощность, Вт | 80 |
| Рабочее напряжение на нагрузке, В | 12 |
| Номинальный поток солнечной энергии, падающий на фоточув. поверхность, Вт/м2 | 600 |
| Номинальная производительность насоса при подъеме воды на высоту 7 м, м3/ч | 0,5 |
| Площадь фоточув. поверхности, м2 | 0,84 |
| Масса батареи, кг | 35 |
| Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С | -40...+70 |
ПСЭ
Переносная солнечная электростанция ПСЭ состоит из двух или четырех панелей, шарнирно скрепленных между собой таким образом, что могут быть компактно сложены в походную сумку. Станция предназначена для электропитания радиоаппаратуры и измерительных приборов в туристических походах, геологических партиях, альпинистских лагерях.
| Номинальная мощность в исполнении, Вт | |
| с двумя панелями | 50 |
| с четырьмя панелями | 100 |
| Рабочее напряжение на нагрузке в режиме питания, В | 12,5+2 |
| Номинальный поток солнечной энергии, падающий на фоточув. поверхность панелей, Вт/м2 | 1000 |
| Площадь фоточув. поверхности одной панели, м | 0,26 |
| Масса батареи, кг | |
| с двумя панелями | 3,8 |
| с четырьмя панелями | 6,8 |
| Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С | -60...+80 |