Во все времена человечество стремилось использовать по максимуму блага предоставленные природой. Доказательство тому изобретённые солнечные батареи. Принцип работы солнечных батарей достаточно прост. Именно благодаря им ранее наши калькуляторы работали в любое время суток, летом и зимой, вне зависимости от вида и частой смены батарейки. Современный мир характеризуется применением солнечной энергии в разных сферах и масштабах, начиная от актуальных планшетов и заканчивая самолётами. О том, как устроена солнечная батарея, её виды и принцип работы Вас проинформирует данная статья.
- Немного из истории
- Классификация
Немного из истории
Как известно, солнечная батарея является не первым изобретением, использующим всеохватывающую энергию Солнца в качестве альтернативы электрической энергии. Первые попытки применения солнечного света — терминальные электростанции, которые имеют более распространённое название как «коллекторы». Принцип их действия заключался в нагревании воды до 100 ° С при помощи солнечных лучей, итогом чего становилась выработка электричества. Работа коллекторов состояла из многоступенчатой трансформации энергии: скопление солнечных лучей, кипячение жидкости, образование пара, движение парового двигателя и преобразование тепловой энергии в механическую.
В отличие от коллектора солнечная батарея напрямую трансформируют продукцию Солнца в электрическую энергию. Также следует отметить такую особенность солнечной батареи, как использование света, а не тепла, что позволяет образовывать электроэнергию даже зимой.
На сегодняшний день принцип работы этих приспособлений основывается на преобразовании действия лучей в электрический ток (фотоэлектрический эффект) при помощи специальных полупроводников, которые и составляют всю батарею.
Первооткрывателями фотоэлектрического эффекта являются три заслуженных учёных физика. Само явление такового процесса описал физик французского происхождения — Александр Эдмон Беккерель в 1839 году. Далее в 1873 году был открыт первый полупроводник для осуществления действия фотоэлектрического эффекта английским инженером-электриком Уиллоуби Смит. А более подробно были описаны принцип работы, схема солнечной батареи и подтверждены законы предыдущих открывателей в 1905 году всемирно известным лауреатом Нобелевской премии Альбертом Эйнштейном.
Определение и основы трансформации энергии
Устройство солнечной батареи состоит из пластины, оснащённой цепочкой соединённых полупроводников (фотоэлементов). Фотоэлементы выполняют функцию преобразования солнечного света в электрический ток. Поэтому для того, чтобы понять принцип действия данного приспособления, следует изучить его основы, а именно фотоэлементы.
Фотоэлементы – полупроводники, трансформирующие действие квантов электромагнитного излучения, способных двигаться лишь со скоростью света, в электрическую энергию. Процесс данной трансформации называется фотоэлектрическим эффектом, появляющимся под воздействием солнечного света на структуры фотоэлемента. Особенность структуры заключается в неоднородности, которую создают при помощи сплавов различных материалов и примесей для изменения её свойств с точки зрения физики и химии.
Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.
Эти самые примеси создают отрицательные и положительные переходы (р- n), которые являются основой работы двух полупроводников и проводимости между ними. Помимо этого метода, образующего неоднородность структуры фотоэлементов, применяются также такие:
- объединение, различающихся по ширине запрещённой зоны, полупроводников;
- изменение химического состава фотоэлемента с целью образования варизонной структуры;
- комбинирование вышеперечисленных способов.
Трансформация энергии напрямую зависит от физических и электрических свойств структуры и электрической проводимости полупроводников (фотопроводимость). Фотоэлемент состоит из разного типа электронов и слоёв их. В качестве электрода, на котором возникает заряд, выступает отрицательный тип, и соответственно, анодом (приёмником) этого заряда является положительный тип. Накопление солнечной энергии происходит таким образом: выходящие из отрицательного слоя под воздействием солнечных лучей, электроны принимают аноды. Выходя из слоя положительных электронов, они возвращаются в исходное место. Далее действия повторяются. Ввиду чего энергия Солнца остаётся внутри устройства.
Классификация
В зависимости от материала и метода изготовления различают такие виды солнечных батарей: кремниевые и плёночные.
Кремневые батареи – приспособления, основным действующим материалом которых является кремний. Кремний характеризуется высокой производительностью сравнительно с другими материалами, используемыми для создания данных устройств, поэтому пользуется большим спросом. По своей структуре кремниевые устройства делятся на три подвида:
Плёночные устройства делятся на такие виды:
- на основе теллурида кадмия с использованием плёночного технологии;
- на основе сплава меди, индия и селена, КПД таких устройств составляет 16-20%;
- полимерные плёночные устройства, производимые из органических фотоэлементов, КПД их составляет 5-6 %.
Схема подключения солнечных батарей заключается в расчете нагрузки и настройке контролёра заряда. Самую простую схему можно рассмотреть на примере садового фонаря. Такие садовые фонари постепенно обретают широкое распространение за счёт яркого освещения дорожек, газонов и приусадебных участков. Зимой свет садовых фонарей на солнечном питании отличается меньшей яркостью, чем в другую пору. Схема в данном случае состоит из светочувствительного элемента, накопительного аккумулятора, солнечной батареи.
На сегодняшний день ведутся разработки по производству масштабных полей солнечных батарей на территории Антарктики. Такие электростанции будут накапливать энергии в течение полугодового полярного дня, наступающего на северных территориях – в летнее время, а на юге – в зимнее. Солнечная энергия является достойной альтернативой электрическому току, поэтому спектр её применения широк. Батареи, работающие от солнечного света, используют даже для производства космических аппаратов.
Ежесекундно огромное количество солнечной энергии поступает на поверхность нашей планеты, давая жизнь всему живому. Достойной задачей для пытливых умов является решение, которое заставило бы ее служить нуждам людей. И это уже пытаются воплотить в жизнь те, кто изобрел конструкцию солнечной батареи, способной преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию.
Понять, как работает солнечная батарея, легче на примере конструкции, в основе которой лежит монокристаллический кремний.
Два слоя кремния с разными физическими свойствами образуют тонкую пластину. Внутренний слой – монокристаллический чистый кремний с р-типом проводимости, который покрыт снаружи слоем кремния «загрязненного». Это может быть, к примеру, примесь фосфора. Он обладает проводимостью n-типа. Тыльная сторона пластины покрыта сплошным металлическим слоем.
В каркасе фотоэлементы закреплены таким образом, чтобы можно было заменить, вышедший из строя. Вся конструкция покрыта закаленным стеклом или пластиком, которые ее защищают от негативного воздействия внешних факторов.
Принцип работы солнечной батареи
В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.
При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.
Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается положительный заряд, а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.
Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).
Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.
Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.
Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.
Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.
И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.
Преимущество солнечных батарей в том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность. Затем важно, каким запасом энергии они обладают.
Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.
Виды солнечных батарей
Все солнечные панели кажутся на первый взгляд одинаковыми – покрытые стеклом темные элементы с металлическими полосками, проводящими ток, помещенными в алюминиевую раму.
Но, солнечные батареи классифицируют по мощности вырабатываемого ею электричества, зависит которая от конструкции и площади панели (они могут быть миниатюрными пластинками с мощностью до десяти ватт и широкими «листами» на двести и более ватт).
Кроме этого, различаются они по типу образующих их фотоэлементов: фотохимические, аморфные, органические, а также созданные на основе кремниевых полупроводников, у которых коэффициент фотоэлектрического преобразования в несколько раз больший. Следовательно, больше и мощность (особенно во время солнечной погоды). Конкурентом последних может быть солнечная батарея на основе арсенида галлия. То есть, на рынке сегодня встретить можно пять типов солнечных батарей.
Они отличаются материалами, используемыми для их изготовления:
1. Панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов, с характерным синим цветом солнечной панели, кристаллической структурой и КПД, равным 12-14%.
Поликристаллическая панель
2. Панели из монокристаллических элементов – более дорогие, но и более эффективные (КПД – до 16%).
3. Панели солнечные из аморфного кремния, у которых КПД самый низкий – 6-8%, но вырабатывают они наиболее дешевую энергию.
4. Панели из теллурида кадмия, создаваемые по пленочным технологиям (КПД – 11%).
Панель, в основе которой лежит теллурид кадмия
5. Наконец, солнечные панели на основе полупроводника CIGS, состоящего из селена, индия, меди, галлия. Технологии их получения тоже пленочные, но КПД доходит до пятнадцати процентов.
Кроме этого, панели солнечные могут быть гибкими и портативными.
Очень удобными являются гибкие панели, которые легко сворачиваются в рулон, словно обычная бумага. Хотя стоимость их выше, чем твердотельных аналогов, они на рынке заняли свою нишу. В основном они пользуются спросом у туристов и путешественников, которым в условиях отсутствия электрификации необходимо заряжать мобильные гаджеты. Главным производителем гибких батарей, работающих от солнечной энергии, является компания Sun Charger, которая, к слову, недавно обновила свой модельный ряд моделями 34 Вт и 9Вт.
Первая модель подходит для питания планшетов, сотовых телефонов, видеокамер, цифровых фотоаппаратов, GPS, гелевых аккумуляторов 6 и 12 вольт, т.е. она может в условиях похода обеспечить потребности нескольких человек.
SunCharger SC-9/14 — батарея в сложенном виде
Она же — в раскрытом виде
Особенности батареи: компактная складывающая конструкция, работающая в диапазоне температур от -50 до +70 градусов, вес которой всего 420 граммов, снабжена антибликовым покрытием, встроенным светодиодом, люверсами для крепления. Выходной разъем круглый (5.5 мм / 2.1 мм.).
Характеристики электрические: рабочее выходное напряжение 13,5 В (стандартное 12В), без нагрузки – 19В; рабочий выходной ток – 0,65 А; габариты в сложенном и развернутом виде — 20.5х15х3 см и 50х41.5х0.4 см; мощность выходная – 8,6 Вт.
Вторая модель SunCharger SC-34/18 на сегодняшний день является в линейке гибких солнечных батарей самой мощной. Разработана она специально для универсальных накопителей (ноутбуков), имеющих на входе зарядки, как правило, 17-19 вольт. Максимальная мощность – 18В. К накопителям она подключается напрямую, что обеспечивает идеальное согласование. Понятно, что для менее «прожорливых» накопителей она также подходит, в том числе для двенадцати вольтовых свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях.
Солнечная батарея выдает 18 В в точке своей максимальной мощности и напрямую подключается к этим накопителям. Таким образом, она «идеально» с ними согласована.
Естественно, эта батарея подходит и для зарядки менее прожорливых потребителей. Как известно, мощности мало не бывает. А также спокойно заряжает 12 В свинцовые аккумуляторы, в том числе, и автомобильные (через несколько часов зарядки уже можно завести машину). Толщина ее 4 см (т.е. стала чуть больше), но получилась батарея даже немного компактнее, чем обычные батареи на 12 В.
Достигнуто это за счет более тонкой ткани, используемой в ее производстве и ламинированных фотоэлементов большей площади.
Эта же батарея в раскрытом виде
Помимо особенностей, характерных для предыдущей модели, здесь имеются на выходе помимо круглого разъема, еще «мама» и «папа».
Электрические характеристики: мощность выходная, как понятно из маркировки, 34 Вт; рабочий выходной ток – 1.9 А; габариты 40х18х4 см (в сложенном виде) и 40х18х4 см (в раскрытом). Напряжение на выходе – 18 В и 26 В (без нагрузки). Вес, конечно, намного больше – 1,7 кг.
Портативная солнечная батарея – специально для туристов
У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).
Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее, ноутбуки.
Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках. Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время.
Ученые работают над тем, чтобы увеличить коэффициент полезного действия, но пока лидируют по этому показателю солнечные панели из монокристаллических элементов. Состоящие из нескольких слоев — монокристаллические панели, устроены так, что один из слоев поглощает энергию зеленого цвета, другой – красного, третий – синего. Но, стоимость таких панелей очень высокая.
Солнечная батарея состоит, как известно, из нескольких обязательных частей. Основой основ у нее, подобно двигателю у машины или сердцу у человека, является солнечная панель – прозрачный прямоугольный короб с темными квадратиками тонко нарезанного кремния внутри. Кремний, используемый в производстве, а точнее его оксид (соединение с кислородом) – основной элемент производства солнечных батарей.
Технологии, лежащие в основе производства солнечных батарей, все время совершенствуются и состоят из нескольких этапов.
- На первом этапе подготавливают сырье: очищают кварцевый песок, прокаливая его с коксом. В результате он освобождается от кислорода, превращаясь в куски чистого кремния, напоминающие чем-то уголь. Затем, из него выращивают кристаллы – основу солнечных панелей, упорядочив структуру кремния. Для этого чистый кремний опускают в тигель, нагревают до высокой температуры, добавляя в расплавленную лаву затравку. Можно сравнить ее с образцом будущего кристалла, вокруг которого, слой за слоем нарастает кремний упорядоченной структуры. После нескольких часов роста получается кристалл монокремния (или поликристаллический кремний, процесс получения которого более затратный, что сказывается на цене солнечных батарей из него), напоминающий большую сосульку. Затем заготовку цилиндрическую превращают в параллелепипед. После этого заготовку режут на пластины толщиной 100-200 микрон (толщина трех человеческих волос), тестируют их, сортируют и направляют на следующую стадию обработки.
- На втором этапе пластина паяют в секции, их которых на стекле формируют блоки, чтобы исключить возможность механического воздействия на готовые солнечные элементы. Секции обычно состоят из 9-10 солнечных элементов, блоки – из 4-6 секций.
- Третий этап з аключается в ламинировании спаянных в блоки пластин этиленвинилацетатной пленкой, а затем защитным покрытием, который осуществляется с помощью компьютера, который следит за давлением, вакуумом и температурой.
- Четвертый этап заключительный . Во время него монтируется соединительная коробка и алюминиевая рама. Вновь проводят тестирование, во время которого измеряют показатели напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, напряжение и ток точки максимальной емкости.
Лидерами среди предприятий, производящих солнечные батареи, являются страны: Китай (компании Trina Solar, Yingli, Suntech), Япония (Sharp Solar) и США (First Solar), которая не только их производит, но также участвует в проектировании солнечных станций и их строительстве. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте в Аризоне – дело рук этой компании. Строительством крупнейшей СЭС «Перово» в Украине занималась компания Австрии (Activ Solar).
Сколько стоит солнечная батарея
Продажа солнечных батарей – дело выгодное и перспективное. Объем продаж увеличивается ежегодно. На первом месте по продажам – китайские производители, продукция которым отличается низкой стоимостью. Такая ситуация привела к банкротству крупных немецких брендов, стоят которые вдвое дороже китайских солнечных батарей.
Стоимость солнечных батарей зависит от производителя и мощности, и имеет огромный разброс – от 1800 грн. до 9000 грн. (для Украины), от 5 тыс. рублей до 30 тысяч (для России). Стоимость этих батарей SunCharger SC- 9/14 и SunCharger SC-34/18 тоже высокая (надо же платить за отличные характеристики). Она составляет соответственно 6100 и 20700 рублей . Но, в сравнении с гибкой батареей фирмы AcmePower 32 Вт, цена за которую равна 27 тысяч рублей , эта батарея гораздо дешевле.
Кто желает сэкономить, могут приобрести солнечные кристаллические складные батареи по цене в 2,5 раза меньшей.
Выводы
Фантастические идеи постепенно становятся реальностью. Вспомним хотя бы микрокалькулятор на фотоэлементах, казавшийся когда-то диковинкой, позволявшей годами не менять батарейку. Изобретение последних лет – мобильник со встроенной солнечной панелью, автомобили и самолеты, передвигающиеся благодаря, все той же, энергии Солнца. Солнечные батареи в будущем, непременно станут основным источником энергии, «вылечив», наконец, все гаджеты от «розеткозависимости» и подарив человечеству дешевую энергию.
Дорого отапливать дом газом? Или у вас на даче постоянно отключают свет? А может быть вы устали переплачивать за электроэнергию? Вам поможет установка солнечной батареи, которая обеспечит вас не только электричеством, но и отоплением. В этой статье мы рассмотрим принцип работы солнечной батареи, и ее отличия от солнечного коллектора.
В чем суть работы солнечной батареи?
Солнечная батарея, она же фотобатарея, представляет собой фотопластину, изменяющую под воздействием солнечных лучей проводимость в отдельных своих участках.
Это позволяет преобразовать энергию этих переходов в электрическую, которая либо используется сразу, либо накапливается.
Для того, чтобы понять принцип работы солнечной батареи, необходимо знать несколько моментов:
Итак, как же работает солнечная батарея?
На отрицательно заряженную панель падает солнечный свет. Он вызывает активное образование дополнительных отрицательных зарядов и «дырок». Под воздействием электрического поля, которое присутствует в p-n переходе, происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц. Первые направляются в верхний слой, а вторые в нижний. Таким образом, появляется разность потенциалов, иными словами, постоянное напряжение (U). Исходя из этого видно, что один фотопреобразователь работает по принципу батарейки. И в случае, когда к нему подсоединяется нагрузка, в цепи возникает ток. Сила тока будет зависеть от таких параметров, как:
Выделяют несколько типов солнечных батарей: поли- и монокристаллические, а также аморфные.
Монокристаллические являются наименее продуктивными, но при этом самыми недорогими. В связи с этим их использование оправдано в качестве дополнительных источник энергии на случай отключения централизованной подачи электроэнергии.
Поликристаллы занимают промежуточные позиции по этим двум параметрам, в связи с чем могут быть использованы в отдаленных районах, лишенных централизованной подачи электроэнергии.
Аморфные солнечные батареи отличаются высокой эффективностью, однако и очень высокой стоимостью. В их основу входит аморфный кремний.
Данные разработки еще не вышли на промышленный уровень и находятся на экспериментальной стадии.
Зачем нужен контроллер в солнечной батарее?
Солнечные батареи, принцип работы которых был описан выше, не смогли бы эффективно заменить системы центральной подачи электроэнергии, если бы не были оснащены контроллерами, способными контролировать степень заряда солнечной батареи.
Контролеры позволяют перераспределять энергию, полученную от солнечных батарей, направляя ее при необходимости напрямую к источнику потребления, либо сохраняя ее в аккумуляторе.
Выделяют несколько типов контроллеров солнечных батарей, отличающихся между собой степенью увеличения общей эффективности системы солнечных батарей.
Для того, чтобы приобщиться к использованию альтернативных источников энергии, вовсе не обязательно приобретать дорогостоящую солнечную батарею. Есть более доступные примеры использования солнечной энергии для получения электрической. Речь идет о популярных в настоящее время садовых фонарях на солнечных батареях.
Такие фонарики позволяют освещать приусадебный участок в темное время суток, не затрачивая на это дополнительную электроэнергию.
Принцип работы таких фонарей заключается в том, что посредством фитопластины, вмонтированной в верхнюю часть фонарика, происходит улавливание и преобразование солнечной энергии, которая аккумулируется в небольшой батарее, расположенной в основании фонарика. Расход накопившейся энергии происходит в темное время суток.
Когда-то, с помощью зеркал, нагревали воду, а сейчас создают целые электростанции на солнечных батареях. Разберем принцип работы солнечной батареи, и почему они так эффективны для получения энергии.
Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии (ФЭП)– это полное название солнечных батарей. Принципы их работы известны более 30 лет, но активно внедряться в быту они начали всего несколько лет назад. Для того чтобы правильно подобрать панели для системы альтернативного обеспечения энергией, необходимо понять принцип их работы.
Принцип работы солнечной батареи
Панель преобразователя состоит из двух тонких пластин из чистого кремния, сложенных вместе. На одну пластину наносят бор, а на вторую фосфор. В слоях, покрытых фосфором, возникают свободные электроны, а в покрытых бором – отсутствующие электроны. Под влиянием солнечного света электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Чтобы снять ток с пластин их пропаивают тонкими полосками специально обработанной меди. Одной кремниевой пластины хватит для зарядки маленького фонарика. Соответственно, чем больше площадь панели, тем больше энергии она вырабатывает.
Спаянные между собой пластины,пропускающие УФ лучи, ламинируют пленкой и крепят на стекло. Скрепленные слои заключают в алюминиевую раму.
КПД солнечных батарей
Коэффициент полезного действия панелей преобразователя зависит от нескольких факторов и для традиционных солнечных батарей не превышает 25%, хотя сейчас, используя следящую систему, можно достигнуть показателя и в 40-50 %. Эта система устроена так, чтобы батарея поворачивалась в сторону солнца. Площадь батареи напрямую влияет на ее мощность – первые солнечные батареи, с которыми мы познакомились, были в калькуляторах. Для обеспечения нагрева воды потребуется минимум шесть панелей установленных на крыше.
Также КПД зависит от материала модулей. Пластины изготавливают из монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния и пленок. Самые распространенные и популярные на сегодня (благодаря доступной стоимости) тонкопленочные панели. Они сделаны из тех же материалов, но немного легче, правда, проигрывают по производительности. Максимальный КПД равен 25 %.
Фотоэлектрические системы
Для обеспечения жилья энергией солнца одних панелей не достаточно, для этого понадобится фотоэлектрическая система (ФЭС). Такие системы бывают трех типов:
- автономные ФЭС – для отдельно стоящих частных домов, в нежилой местности
- ФЭС соединенные с электросетью – часть приборов запитана от ФЭС, а часть – от централизованной электросети
- резервные ФЭС – используется только в случае отключения централизованного энергоснабжения.
ФЭС любого типа обязательно состоит из кабелей, контроллера, инвертора и аккумулятора.
Будущее солнечных батарей
По данным исследований экологов и геологов, запасов нефти и газа осталось еще лет на 100. Источники природной энергии (воды, ветра и солнца) неисчерпаемы.
В передовых европейских странах обеспечение новостроек альтернативной энергией – прямая обязанность застройщиков уже с 2007 года. В нашей стране эти проекты продвигаются благодаря энтузиастам от экологии, собирающим вручную ФЭС из подручных материалов. Но таких единицы, веди самому сделать их довольно сложно.
Ряд украинских производителей («Аванте», «Атмосфера», «Ітнелкон України», «СІНТЕК», «Техно-АС») уже выпускают такие панели и обустраивают ФЭС по всей стране. Стоимость продукции, к сожалению, в том же диапазоне, что и зарубежные бренды (Buderus, Wolf, Rehau, Vaillant, Viessmann, Chromagen, Ferroli, Rucelf, Solver).
Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.
Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?
Основные принципы
Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.
Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.
Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.
Панель солнечной батареи
©depositphotos.com
Кремниевые полупроводники
Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.
Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.
Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.
У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.
Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.
Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.
Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.
Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).
Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».
Устройство солнечной батареи
Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.
Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.
Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.
Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.
К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.
Самое большое в мире судно на солнечных батареях PlanetSolar
©PlanetSolar/ Philip Plisson
Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.
