Как работают солнечные батареи. Из чего состоят солнечные панели. Какие бывают типы фотоэлементов. Где применяются солнечные батареи. Каковы преимущества и недостатки солнечной энергетики.
Что такое солнечная батарея и как она устроена
Солнечная батарея (фотоэлектрическая панель) — это устройство, преобразующее энергию солнечного света в электрическую энергию. Основой солнечной батареи являются фотоэлементы, изготовленные из полупроводниковых материалов.
Типичная солнечная панель состоит из следующих основных компонентов:
- Фотоэлементы (солнечные ячейки) — преобразуют свет в электричество
- Защитное стекло — защищает фотоэлементы от внешних воздействий
- Герметизирующий состав — обеспечивает влагозащиту
- Рама — придает конструкции жесткость
- Контактные шины — собирают генерируемый ток
Фотоэлементы соединяются последовательно-параллельно для получения нужного напряжения и мощности солнечной батареи. Типичная панель содержит от 36 до 72 фотоэлементов.
Принцип работы солнечной батареи
Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте — способности некоторых материалов генерировать электрический ток под воздействием света. Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую происходит следующим образом:
- Фотоны солнечного света попадают на поверхность фотоэлемента
- Часть фотонов проходит внутрь полупроводникового материала
- Фотоны выбивают электроны из атомов полупроводника
- Образуются свободные электроны и «дырки»
- Электроны и «дырки» разделяются p-n-переходом
- На контактах фотоэлемента возникает разность потенциалов (напряжение)
- При подключении нагрузки возникает электрический ток
Таким образом, солнечная батарея напрямую преобразует энергию света в электроэнергию без промежуточных стадий.
Основные типы солнечных элементов
Существует несколько основных типов фотоэлементов, используемых в солнечных батареях:Монокристаллические кремниевые
Изготавливаются из монокристалла кремния высокой чистоты. Имеют однородную структуру и темный цвет. Отличаются высоким КПД (17-22%) и длительным сроком службы. Недостаток — высокая стоимость.
Поликристаллические кремниевые
Производятся из кремниевого расплава. Имеют неоднородную структуру и голубоватый оттенок. КПД немного ниже (14-18%), но стоимость меньше. Наиболее распространенный тип солнечных элементов.
Тонкопленочные
Изготавливаются путем нанесения тонких слоев фотоактивных материалов на подложку. Имеют низкий КПД (7-13%), но дешевы в производстве. Гибкие, легкие, работают при слабом освещении.
Сферы применения солнечных батарей
Солнечные батареи находят широкое применение в различных областях:
- Автономное электроснабжение домов и других объектов
- Резервное и аварийное электропитание
- Питание маломощных устройств (калькуляторы, часы и т.п.)
- Зарядка мобильных устройств и гаджетов
- Освещение улиц, парков, рекламных щитов
- Электроснабжение космических аппаратов
- Солнечные электростанции промышленного масштаба
С развитием технологий сфера применения солнечных батарей постоянно расширяется.
Преимущества и недостатки солнечных батарей
Солнечные батареи имеют ряд преимуществ:
- Используют возобновляемый и бесплатный источник энергии
- Не загрязняют окружающую среду при работе
- Не требуют топлива и практически не нуждаются в обслуживании
- Бесшумны в работе
- Имеют длительный срок службы (25-30 лет)
Основные недостатки солнечных батарей:
- Зависимость выработки от погодных условий и времени суток
- Необходимость аккумуляторов для запасания энергии
- Относительно высокая стоимость оборудования
- Небольшой КПД (в среднем 15-20%)
- Необходимость периодической очистки поверхности панелей
Несмотря на недостатки, солнечная энергетика активно развивается и становится все более эффективной и доступной.
Перспективы развития солнечных батарей
Технологии солнечной энергетики постоянно совершенствуются. Основные направления развития:
- Повышение КПД солнечных элементов
- Снижение стоимости производства
- Разработка более эффективных материалов
- Создание прозрачных и гибких солнечных панелей
- Интеграция солнечных батарей в строительные материалы
- Совершенствование систем накопления энергии
По прогнозам экспертов, в ближайшие десятилетия солнечная энергетика станет одним из основных источников электроэнергии в мире.
Здесь вы узнаете:
Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте. Солнечный свет, попадая на кремниевый полупроводник, преобразуется в электрический ток. Затем он накапливается в аккумуляторах и используется для бытовых нужд.
Принцип работы солнечных батарей
Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.
Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.
Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.
При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.
Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.
Технические характеристики
Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:
- Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
- Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
- Контроллер уровня заряда аккумулятора.
Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.
Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.
(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)
Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.
Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.
Внутреннее устройство гелиобатареи
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.
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.
Виды кристаллов фотоэлементов
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.
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:
- Монокристаллические.
- 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.
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%.
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.
Принцип работы солнечной панели
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.
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.
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.
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.
Виды солнечных батарей
В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.
I. Классификация по типу их устройства:
- 1. Гибкие;
- 2. Жёсткие.
II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:
- Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью. Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании. Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;
- Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;
- Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;
- Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;
- Из органических соединений;
- Из арсенида галлия
- Из нескольких материалов одновременно.
Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.
Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).
Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.
Сфера применения солнечной энергии
Есть три направления использования солнечной энергии:
- Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
- Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
- Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.
Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество
Преимущества солнечных батарей
Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.
Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:
- Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
- Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
- Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
- Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
- Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.
Важно: Отдельно хочется подчеркнуть термоядерную энергию. Несмотря на то, что «мирный атом» позиционируется, как безопасный, при авариях на АЭС этот фактор полностью перечеркивается (Три-Лонг-Айленд, Чернобыль, Фукусима).
- При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
- Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
- Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли
Недостатки солнечных батарей
К сожалению, и этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет определенные ограничения и недостатки:
- Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
- Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
- Периодичность генерации — солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.
Важно: Проблему можно решить, установив аккумуляторы высокой емкости, однако из-за этого возрастет стоимость получения энергии, что сделает ее невыгодной по сравнению с традиционными энергоносителями.
- Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
- Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
- Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
- Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).
Отопление солнечной энергией домов
Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.
Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.
Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.
Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.
Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.
Как работает солнечное отопление
Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.
Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.
По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.
Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.
Солнечные батареи принцип действия
Приборы, служащие для преобразования электроэнергии из солнечных лучей, в народе называют солнечными батареями. По сути, такие электрогенераторы работают пока светит солнце, а значит такой источник энергии является практически неиссякаемым.
История открытия солнечных батарей
Александр Эдмон Беккерель
В XIX веке (1839 год) в возрасте 12 лет, французский естествовед Александр Эдмон Беккерель увидел фотогальванический эффект, трудясь в лаборатории своего отца Антуана Беккереля. Суть эффекта состоял в том, что при освещении платиновых пластин, находящихся в растворе электролита, гальванометр зарегистрировал появление ЭДС (электродвижущая сила). Взяв за основу этот эффект, Беккерель спроектировал актинограф — прибор для регистрации интенсивности света.
Уиллоуби Смит
Дальнейшим шагом на пути к солнечным батареям стало открытие фотопроводимости селена. Его осуществил Уиллоби Смит, английский инженер-электрик, занимавшийся разработкой изоляции подводных кабелей. В 1873 году он обнаружил, что электрическое сопротивление серого селена сильно «прыгает» от замера к замеру. Оказывается электропроводность стержней из селена стремительно возрастает при попадании на света. А в 1883 году американец Чарльз Фритс произвел первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, находящийся между пластинами золота и меди.
Генрих Герц
Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году выявил влияние солнечного излучения на электрический разряд. Смотря одновременно 2 разряда, Герц отметил, что яркая вспышка света от электрической искры 1-го разряда повышает длительность другого разряда.
Александр Григорьевич Столетов
В 1888 году наш земляк Александр Григорьевич Столетов изучил, как разряжается под воздействием освещения отрицательно заряженный цинковый электрод и как данный процесс зависит от интенсивности света.
Благодаря работам английского физика Джозефа Томсона в 1899 году и немецкого физика Филиппа Ленарда в 1900 году было подтверждено, что свет, попадая на металлическую поверхность, выбивает из неё электроны, вызывая возникновения фототока. Но целиком понять естество данного явления получилось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн предоставил его разъяснение с позиции квантовой теории.
Джозеф Томсон (слева) и Филипп Ленард (справа)
Обширное применение солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности приборов были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космическое пространство в составе искусственного спутника земли. Данный полет продемонстрировал, что работа солнечных батарей способна не только обеспечивать энергией спутники, а считается единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.
Принцип работы и устройство солнечной батареи
Устройство и принцип действия солнечной батареи
На сегодняшний день солнечные преобразователи производятся в большинстве случаев из кремния. Отличают 2 вида передовых технологий, на базе которых функционируют батареи: поликристаллическая и монокристаллическая.
Поликристаллическая по стоимости ниже, благодаря чему не особо эффективная технология.
Монокристаллическая по стоимости выше, цена которой зависит от трудозатратной технологии изготовления, а точнее выращивания монокристаллов. Она предоставляет больше количества электроэнергии и срок службы ее существенно больше. Благодаря этому, монокристаллический солнечный модуль является наиболее лучшим для использования его в повседневной жизни.
Работа солнечного элемента сопряжена с его устройством. Состоит он из кремниевых наружных пластин, с различными свойствами проводимости, и внутреннего слоя чистого монокристаллического кремния. Внутренний слой имеет установленную дырочную проводимость. Один из наружных проводников тоньше противоположного слоя и покрыт особым слоем, образующим цельный металлический контакт.
При попадании на один из наружных слоев солнечного света создается фотогальванический эффект, что приводит к формированию в этом слое свободных электронов. Данные частицы получают вспомогательную энергию и способны преодолеть внутренний слой элемента, который в данном случае именуется барьером. Чем больше объем солнечного света, тем сильнее происходит процесс прохождения или перепрыгивания электронов от одной наружной пластины к другой, минуя внутреннюю перегородку. При замыкании наружных пластин возникает напряжение. Та пластина, которая усиленно отдает частицы, создает в себе так называемые дырки, обретает знак минус, а которая принимает, обретает знак плюс.
Типы солнечных батарей
На сегодняшний день на рынке присутствуют 5 видов солнечных батарей в которых используются разные материалы и фотоэлементы.
Максимальную известность приобрели солнечные батареи из поликристаллических фотоэлементов. Результативность подобных панелей обычно составляет 12-14 %.
Поликристаллическая солнечная батарея
Панели из монокристаллических фотоэлементов характеризуются наиболее большим коэффициентом полезного действия (14-16 %). Подобные панели немножко дороже, нежели панели из поликристаллического кремния. Так же фотоэлементы выполнены в виде многоугольника и из-за этого не целиком наполняют пространство солнечной батареи, что приводит к наиболее низкой производительности всей батареи по отношению к одной ячейки фотоэлемента.
Монокристаллическая солнечная батарея
Солнечные батареи из аморфного кремния располагают минимальной результативности (6-8 %), однако в то же время обладают низкой себестоимостью производимой энергии.
Солнечная батарея из аморфного кремния
Солнечные батареи на основе Теллурид Кадмия (CdTe) внешне изображают тонкопленочную технологию изготовления солнечных панелей. Полупроводниковые слои покрывают панель толщиной всего в несколько сотен микрон. Разработка считается наименее опасным для окружающей среды. Результативность солнечных батарей CdTe составляет примерно 11-12 %.
Солнечная батарея на основе Теллурид Кадмия (CdTe)
Солнечные батареи в составе которых присутствуют смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS) так же считаются тонкопленочной технологией изготовления фотоэлементов. Эффективность колеблется примерно от 10 до 15 %. Такая технология не особо распространена на рынке, но весьма быстро развевается.
Солнечные батареи на основе смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS)
Области применения солнечных панелей
- Портативная электроника. Для снабжения электричеством и(или) подзарядки аккумуляторных батареи разной бытовой электроники.
- Электромобили. Подзарядка автотранспорта.
- Авиация. Разработка самолета, использующего только энергию солнца.
- Энергообеспечение зданий. Электроснабжение дома, за счет размещения крупных солнечных батарей на крышах.
- Энергообеспечение населённых пунктов. Создание солнечных электростанций.
- Дорожное покрытие. Дороги, покрытые солнечными панелями, для освещения их же в ночное время.
- Использование в космосе. Электроснабжение космических аппаратов.
- Использование в медицине. Внедрение под кожу миниатюрную солнечную батарею для обеспечения работы приборов, имплантированных в тело.
Преимущества и недостатки солнечных источников энергии
Преимущества:
- Экологически чистая энергия;
- Неисчерпаемость и постоянство солнечной энергии;
- Минимум обслуживания;
- Длительный срок службы;
- Доступность;
- Экономичность;
- Большая область применения.
Недостатки:
- Высокая цена панелей;
- Нерегулярность из-за погодных условий;
- Высокая цена аккумуляторных батарей для аккумулирования энергии;
- Для большей мощности необходимо устанавливать большие площади солнечных панелей.
Таким образом, анализируя все вышеупомянутое, можно отметить, что в данный момент получить выгоду от солнечной энергии могут лишь достаточно богатые собственники загородных домов. Они могут без проблем дождаться того этапа, когда батареи окупят себя.
Принцип работы солнечной батареи и ее устройство
Относительно недавно считалась фантастической сама идея обеспечивать частные дома электричеством автономно. Сегодня это объективная реальность. В Европе солнечные батареи используются уже продолжительное время, ведь это практически неисчерпаемый источник дешевой энергии. У нас получение электричества от таких устройств только обретает популярность. Данный процесс происходит не слишком быстро, и виной тому – высокая стоимость их.
Принцип работы солнечной батареи основан на том, что в двух кремниевых пластинах, покрытых разными веществами (бором и фосфором), под действием солнечного света возникает электрический ток. В пластине, которая покрыта фосфором, появляются свободные электроны.
Отсутствующие частицы образуются в тех пластинах, которые покрыты бором. Электроны начинают двигаться под действием света солнца. Так образуется электрический ток в солнечных батареях. Тонкие жилы из меди, которыми покрыта каждая батарея, отводят от нее ток и направляют по назначению.С помощью одной пластины можно питать энергией небольшую лампочку. Вывод напрашивается сам собой. Для того, чтобы солнечные батареи обеспечивали дом электричеством достаточной мощности, нужно чтобы их площадь была довольно большой.
Кремниевые механизмы
Итак, принцип работы солнечной батареи понятен. Ток вырабатывается при воздействии ультрафиолетового света на специальные пластины. Если в качестве материала для создания таких пластин используется кремний, то батареи называются кремниевыми (или кремневодородными).
Подобные пластины требуют очень сложных систем производства. Это, в свою очередь, сильно влияет на стоимость изделий.
Кремниевые солнечные батареи бывают разных типов.
Монокристаллические преобразователи
Представляют собой панели со скошенными углами. Их цвет всегда чисто черный.
Если говорить о монокристаллических преобразователях, то принцип работы солнечной батареи кратко можно охарактеризовать как средне эффективный. Все ячейки светочувствительных элементов такой батареи направлены в одну сторону.
Это позволяет получить самый высокий результат среди подобных систем. КПД батарей этого типа достигает 25%.Минусом является то, что такие панели должны быть всегда обращены лицевой стороной к солнцу.
Если солнце прячется за тучами, опускается к горизонту, или еще не успело взойти, то батареи будут вырабатывать ток довольно слабой мощности.
Поликристаллические
Пластины этих механизмов всегда квадратные, темно-синего цвета. В состав их поверхности включены неоднородные кристаллы кремния.
КПД поликристаллических батарей не настолько высок, как у монокристаллических моделей. Он может достигать 18%. Однако этот недостаток компенсируется достоинствами, о которых будет сказано ниже.
Принцип работы солнечной батареи этого типа позволяет изготавливать их не только из чистого кремния, но также из вторичных материалов. Этим объясняются некоторые дефекты, встречающиеся в оборудовании. Отличительной особенностью механизмов данного типа является то, что они могут достаточно эффективно вырабатывать электрический ток даже при пасмурной погоде. Такое полезное качество делает их незаменимыми в местах, где рассеянный солнечный свет является обычным повседневным явлением.
Аморфные панели из кремния
Аморфные панели дешевле остальных, это обуславливает принцип работы солнечной батареи и ее устройство. Каждая панель состоит из нескольких тончайших слоев кремния. Их изготавливают путем напыления частиц материала в вакууме на фольгу, стекло или пластмассу.
КПД панелей значительно меньше, чем у предыдущих моделей. Он достигает 6%. Кремниевые слои довольно быстро выгорают на солнце. Уже через полгода использования этих батарей их эффективность упадет на 15%, а иногда и на все 20.
Два года работы полностью исчерпают ресурс действующих веществ, и панель нужно будет менять.
Но есть два плюса, из-за которых эти батареи все же покупают. Во-первых, они работают даже в пасмурную погоду. Во-вторых, как уже говорилось, они не такие дорогие, как другие варианты.
Фотопреобразователи гибридного типа
Аморфный кремний является основой для расположения микрокристаллов. Принцип работы солнечной батареи делает ее похожей на поликристаллическую панель. Отличие батарей такого типа состоит в том, что они способны вырабатывать электрический ток большей мощности в условиях рассеянного солнечного света, например, в пасмурный день или на рассвете.
Кроме того, батареи работают под воздействием не только солнечного света, но и в инфракрасном спектре.
Полимерные пленочные солнечные преобразователи
У этой альтернативы панелям из кремния есть все шансы занять лидирующее положение на рынке солнечных батарей. Они напоминают пленку, состоящую из нескольких слоев. Среди них можно выделить сетку алюминиевых проводников, полимерный слой активного вещества, подложка из органики и защитной пленки.
Такие фотоэлементы, объединенные друг с другом, образуют пленочную солнечную батарею рулонного типа. Эти панели легче и компактнее кремниевых. При их изготовлении не используется дорогостоящий кремний, и сам процесс производства не такой затратный. Это делает рулонную панель дешевле всех прочих.
Принцип работы солнечной батареи делает их КПД не слишком высоким.
Он достигает 7%.
Процесс изготовления панелей этого типа сводится к многослойному печатанию на пленку фотоэлемента. Производство налажено в Дании.
Еще одним преимуществом является возможность резать рулонную батарею и подгонять ее под любой размер и форму.
Минус лишь один. Батареи только начали производить, поэтому еще довольно непросто ими обзавестись.
Но есть повод полагать, что эти элементы быстро обретут заслуженную хорошую репутацию среди потребителей, что даст изготовителям возможность наладить производство в более крупных масштабах.Отопление солнечной энергией домов
Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.
Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.
Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.
Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.
Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.
Как работает солнечное отопление?
Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.
Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.
По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.
Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.
Почти 100% всей энергии, которую мы используем в повседневной жизни – это энергия солнца, так или иначе преобразованная. Уголь – это умершие растения, которые жили благодаря фотосинтезу, нефть – растения и животные, которые вымерли миллионы лет назад и росли за счет энергии солнца. Даже когда вы сжигаете дрова – вы даете выход солнечной энергии, которую в себя впитала древесина. По сути, любая тепловая электростанция преобразовывает аккумулированную в виде угля, нефти, газа и др. ископаемых солнечную энергию в электричество.
Солнечная батарея просто делает это напрямую, без участия «посредников». Электричество – наиболее удобная форма применения солнечной энергии. Весь быт человечества сейчас построен вокруг электричества, и цивилизацию без него очень сложно представить. Несмотря на то, что первые фотоэлементы появились более полувека назад, солнечная энергетика пока не нашла должного распространения. Почему? Об этом в конце статьи, а пока разберемся, как это все работает.
Все дело в кремнии
Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.
Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.
Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры)
Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.
«Сэндвич» из кремния и токопроводящих слоев
Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.
Структура атомов кремния
Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:
- Кремний N-типа имеет избыток электронов
- Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)
Кремний Р и N типа
Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.
Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р — сторону пластины.
После «освобождения» электрон стремится к проводнику
Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка 🙂 . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».
Работа фотоэлемента
Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.
Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.
Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?
Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.
- Неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие и это тоже непостоянною. Солнечной энергии гораздо меньше в пасмурные дни и совсем нет ночью. И чтобы полностью рассчитывать на солнечную энергию, необходимы эффективные способы получения электричества для всех областей.
- КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
- Хранение. Самым слабым звеном в солнечной энергетике является отсутствие эффективного и дешевого способа сохранять полученную электроэнергию. Существующие аккумуляторные батареи тяжелы и значительно снижают эффективность и без того слабые показатели солнечной системы. В целом, хранить 10 тонн угля проще и удобнее, чем 46 мегаватт, выработанных этим же углем или солнцем.
- Инфраструктура. Для того, чтобы питать мегаполисы – площадей крыш этих городов будет недостаточно, чтобы удовлетворить все запросы, поэтому для внедрения солнечной энергетики нужно транспортировать энергию, а для этого необходимо строить новые энергетические объекты
Видео о том, как производят солнечные батареи.
В ролике подробно описывается процесс изготовления поликристаллических солнечных батарей, принцип их работы в системе солнечных электростанций, принцип работы контроллера заряда и инвертора.
Плюсы и минусы вертикальных ветрогенераторов, их виды и особенности Power Bank с солнечной батареей — расчет на безграмотность Подбираем аккумулятор для солнечной электростанции Выгодно ли покупать комплектом солнечные батареи для дачи
Принцип работы и устройство солнечной батареи
Одним из источников энергии является солнечная батарея, генерирующая альтернативную энергию Солнца. Она появилась сравнительно недавно, но уже успела обрести популярность в странах Евросоюза, за счет высокой эффективности и приемлемой стоимости.
Солнечная батарея является почти неисчерпаемым источником энергии, способным накапливать и преобразовывать световые лучи в энергию и электричество. В странах СНГ новый источник энергии постепенно только набирает популярность. (Кстати, статью о том, как выбрать солнечную батарею, Вы можете прочитать здесь.)
Компоненты
Само устройство и принцип работы энергоисточника можно называть простым. Оно состоит всего из двух частей:
- основного корпуса;
- преобразовательных блоков.
В большинстве случаев корпус делают из пластика. Он похож на обыкновенную плитку, к которой прикреплены преобразовательные блоки.
Преобразовательным блоком является кремниевая пластинка. Она может изготавливаться двумя способами:
- поликристаллическим;
- монокристаллическим.
Поликристаллический способ является менее затратным, а монокристаллический считается наиболее эффективным.
Все остальные дополнительные части (например, контроллеры и инверторы), гаджеты и микросхемы присоединяют только для увеличения работоспособности и функционирования источника энергии. Без них солнечная батарея также сможет работать.
Имейте в виду: для того чтобы данный источник начал функционировать нужно правильно и аккуратно подключить все преобразовательные блоки.
С расчётом мощности солнечных батарей может помочь данная статья: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-kpd.html
Существует два вида их подключения:
- последовательное;
- параллельное.
Разница лишь в том, что в параллельном соединении происходит увеличение силы тока, а при последовательном увеличивается напряжение.
Если есть необходимость в максимальной работе сразу двух параметров, то используется параллельно-последовательное.
Но стоит учитывать, что высокие нагрузки могут способствовать тому, что некоторые контакты могут перегореть. Для предотвращения этого используют диоды.
Один диод способен защитить одну четвертую часть фотоэлемента. Если их нет в устройстве, то есть большая вероятность, что весь источник энергии прекратит своё функционирование после первого же дождя или урагана.
Важный момент: ни накопление, ни сила тока совершенно не соответствуют возможным параметрам современной бытовой техники, поэтому приходится перераспределять и накапливать электроэнергию.
Для этого рекомендуется дополнительно подключать минимум два аккумулятора. Один будет являться накопительным, а второй запасным или резервным.
Приведем пример работы дополнительных аккумуляторов. Когда на улице хорошая и солнечная погода, то заряд идет быстро и через малое количество времени появляется уже лишняя энергия.
Поэтому весь этот процесс контролирует специальный реостат, который способен в определенный момент перевести всю ненужную электроэнергию в дополнительные резервы.
Познакомиться с отзывами владельцев солнечных батарей можно в данной статье: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-dlya-doma-otzyivy.html
Принцип работы
В чем же заключается принцип работы альтернативного источника энергии?
Во-первых, фотоэлементы являются кремниевыми пластинами. В свою очередь, кремний по своему химическому составу имеет максимальную схожесть с чистым силицием. Именно этот нюанс дал возможность понизить стоимость солнечной батареи и запустить ее уже на конвейер.
Кремний в обязательном порядке кристаллизуют, так как сам по себе он является полупроводником. Монокристаллы изготавливаются намного проще, но при этом не имеют много граней, за счет чего электроны имеют возможность двигаться прямолинейно.
Важно знать, что добавлением фосфора или мышьяка повышается электропроводность. Также, одним из важных свойств силиция является невидимость для инфракрасного излучения.
Благодаря этому элементу, преобразовательные блоки поглощают только полезные части солнечного спектра.
Последовательность действий солнечной батареи:
Принцип работы солнечной батареи. (Для увеличения нажмите)Энергия солнца попадает на пластины.
- Пластины нагреваются и освобождают электроны.
- Электроны активно двигаются по проводникам.
- Проводники дают заряд аккумуляторам.
Вот мы и выяснили, из чего состоят солнечные батареи и каков их принцип действия.
Подробнее узнать об основных видах солнечных панелей можно здесь: https://teplo.guru/eko/vidyi-solnechnyih-paneley.html
В заключение хотелось бы добавить, что такую альтернативу можно сделать дома самостоятельно, при наличии всех необходимых частей.
Смотрите видео, в котором в легкой и познавательной форме объясняется принцип работы солнечных батарей:
Здравствуйте, дорогие читатели. В этой статье мы вам расскажем, про принцип работы солнечных батарей. В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).
Принцип работы солнечных батарей
Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании. В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.
Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.
Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.
Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею. Э.д.с. (электродвижущая сила) отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.
Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи. Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.
Из чего состоит солнечная батарея
Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит к выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи. Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. — последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.
Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи. При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.
Принцип работы солнечных батарей
Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора. Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока. Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.
При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда. Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда. При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.
Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовые батарей, которые сделаны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!
Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность. Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы. Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.
Видео, принцип работы солнечных батарей
Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!
[wysija_form id=»1″]
В последние годы так называемая «альтернативная энергетика» пользуется все большей популярностью. Особое же внимание уделяется использованию излучения солнца. Это вполне закономерно, ведь если создать элемент, который способен преобразовать световые лучи в электричество, можно получить бесплатный неиссякаемый энергоисточник. И такой элемент был создан. Он был назван «солнечным фотоэлементом» или «солнечной батареей», причем как работает солнечная батарея, разобраться довольно просто.
Принцип действия
Главное – не путать фотобатареи с солнечными коллекторами (и те, и другие часто именуют «солнечными панелями»). Если принцип действия коллекторов основан на нагревании теплоносителя, то фотоячейки производят непосредственно электричество. В основе их работы – фотоэлектрический эффект, заключающийся в генерации тока под воздействием солнечных лучей в полупроводниковых материалах.
Полупроводниками же называют вещества, атомы которых либо содержат избыточное количество электронов (n-тип), либо наоборот, испытывают их недостаток (p-тип). А те области структуры p-элементов, где потенциально могли бы находиться электроны, получили название «дырок». Соответственно, фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разными типами проводимости.
Как работают солнечные батареи с такой структурой? Следующим образом. Внутренний слой элемента выполняется из p-полупроводника, внешний, гораздо более тонкий, — из n-полупроводника. На границе слоев возникает так называемая «зона p-n перехода», образовавшаяся за счет формирования объемных положительных зарядов в n-слое и отрицательных – в p-слое.
При этом в зоне перехода возникает определенный энергетический барьер, вызванный разностью потенциалов зарядов. Он препятствует проникновению основных носителей электрозаряда, но свободно пропускает неосновные, причем в противоположных направлениях. Под действием же солнечного света часть фотонов поглощается поверхностью элемента и генерирует дополнительные «дырочно-электронные» пары. То есть электроны и дырки перемещаются из одного полупроводника в другой, передавая им дополнительный отрицательный или положительный заряд. При этом первоначальная разность потенциалов между n- и p-слоем снижается, а во внешней цепи генерируется электроток.
Особенности структуры
Многие современные фотоячейки имеют только один p-n переход. При этом свободно переходящие носители заряда генерируются лишь теми фотонами, энергия которых либо больше, либо равна ширине «запрещенной зоны» на границе перехода. Это означает, что фотоны с более малым запасом энергии попросту не используются, что в свою очередь заметно снижает эффективность ячейки. Для преодоления этого ограничения были созданы многослойные (чаще – четырехслойные) фотоструктуры.
Они позволяют использовать значительно большую часть солнечного спектра и обладают более высокой производительностью. Причем располагают фотоэлементы таким образом, чтобы лучи попадали сначала на переход с самой широкой запрещенной зоной. При этом поглощаются более «энергоемкие» фотоны, фотоны же с меньшим запасом энергии проходят глубже и стимулируют остальные элементы.
А какие бывают солнечные батареи?
Солнечные элементы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, создаются уже давно. Главная трудность при их производстве заключается в подборе материалов, способных генерировать достаточно мощный ток. Первые опыты проводились с селеновыми ячейками, но их эффективность была крайне мала (около 1%). Сейчас в фотоэлементах используется в основном кремний, производительность таких устройств составляет порядка 22%. Кроме того, постоянно разрабатываются новые образцы ячеек (например, с использованием арсенида галлия или индия), имеющих более высокий КПД. Максимальная же эффективность солнечных батарей на сегодняшний день составляет 44,7%.
Но такие элементы очень дороги и пока что производятся только в лабораторных условиях. Широкое же распространение получили ячейки на базе монокристаллического или поликристаллического кремния, а также тонкопленочные элементы. Фотобатареи на монокристаллах стоят дороже, но имеют большую производительность, поликристаллы же более дешевы, но из-за неоднородной структуры менее эффективны. При производстве же тонкопленочных ячеек применяются не кристаллы, а напыленные на гибкую подложку кремниевые слои.
Солнечная батарея , также называемая фотоэлектрическая батарея , любое устройство, которое напрямую преобразует энергию света в электрическую энергию посредством фотоэлектрического эффекта. Подавляющее большинство солнечных элементов изготавливаются из кремния — с повышением эффективности и снижением стоимости, поскольку материалы варьируются от аморфных (некристаллических) до поликристаллических и кристаллических (монокристаллических) форм кремния.В отличие от батарей или топливных элементов, солнечные элементы не используют химические реакции или не требуют топлива для производства электроэнергии, и, в отличие от электрических генераторов, они не имеют движущихся частей.
диаграмма структуры солнечных элементов Часто используемая структура солнечных элементов. Во многих таких элементах слой поглотителя и слой заднего перехода выполнены из одного и того же материала. Энциклопедия Британника, Инк.Британика Викторина
Гаджеты и технологии: факты или вымысел?
Роботы никогда не использовались в бою.
Солнечные элементы могут быть организованы в большие группы, называемые массивами. Эти массивы, состоящие из многих тысяч отдельных ячеек, могут функционировать в качестве центральных электростанций, преобразовывая солнечный свет в электрическую энергию для распределения промышленным, коммерческим и жилым пользователям. Солнечные элементы в гораздо меньших конфигурациях, обычно называемые панелями солнечных батарей или просто солнечными панелями, были установлены домовладельцами на их крышах, чтобы заменить или увеличить их обычное электроснабжение.Панели солнечных батарей также используются для обеспечения электроэнергией во многих удаленных наземных точках, где традиционные источники электроэнергии либо недоступны, либо слишком дороги для установки. Поскольку у них нет движущихся частей, которые могли бы нуждаться в техническом обслуживании, или топлива, которое потребовало бы пополнения, солнечные элементы обеспечивают питание для большинства космических установок, от средств связи и метеорологических спутников до космических станций. (Однако солнечной энергии недостаточно для космических исследований, отправляемых на внешние планеты Солнечной системы или в межзвездное пространство, однако из-за диффузии лучистой энергии с расстоянием от Солнца.)) Солнечные батареи также используются в потребительских товарах, таких как электронные игрушки, портативные калькуляторы и портативные радиоприемники. В солнечных элементах, используемых в устройствах такого типа, может использоваться искусственное освещение (например, от ламп накаливания и люминесцентных ламп), а также солнечный свет.
Международная космическая станция Международная космическая станция (МКС) была построена в секциях, начиная с 1998 года. К декабрю 2000 года основные элементы частично завершенной станции включали соединительный узел американской постройки Unity и два российских блока — «Заря». силовой модуль и звезда, начальные жилые помещения.Российский космический корабль, на борту которого находился первый экипаж из трех человек, состыкован в конце Звезды. Фотография была сделана с космического корабля «Индевор». Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространстваНесмотря на то, что общее производство фотоэлектрической энергии незначительно, оно может возрасти по мере сокращения ресурсов ископаемого топлива. Фактически, расчеты, основанные на прогнозируемом мировом потреблении энергии к 2030 году, показывают, что глобальные потребности в энергии будут удовлетворяться солнечными батареями, работающими с 20-процентной эффективностью и покрывающими лишь около 496 805 квадратных километров (191 817 квадратных миль) поверхности Земли.Материальные потребности были бы огромными, но выполнимыми, так как кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре. Эти факторы побудили сторонников солнечной энергетики представить будущую «солнечную экономику», в которой практически все потребности человечества в энергии удовлетворяются дешевым, чистым, возобновляемым солнечным светом.
Структура и работа солнечных батарей
Солнечные батареи, независимо от того, используются ли они на центральной электростанции, на спутнике или в калькуляторе, имеют одинаковую базовую структуру. Свет попадает в устройство через оптическое покрытие или антиотражающий слой, который сводит к минимуму потери света при отражении; он эффективно задерживает свет, падающий на солнечный элемент, способствуя его передаче слоям преобразования энергии ниже.Противоотражающий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана, который формируется на поверхности ячейки методом центрифугирования или методом вакуумного осаждения.
солнечная энергия; солнечный элемент Солнечная энергетическая установка вырабатывает мегаватты электроэнергии. Напряжение генерируется солнечными элементами, изготовленными из специально обработанных полупроводниковых материалов, таких как кремний. Предоставлено Национальной лабораторией возобновляемой энергии Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской.Подпишитесь сегодняТри слоя преобразования энергии под антиотражающим слоем — это верхний соединительный слой, поглощающий слой, который составляет сердцевину устройства, и задний соединительный слой. Два дополнительных электрических контактных слоя необходимы для передачи электрического тока к внешней нагрузке и обратно в элемент, таким образом замыкая электрическую цепь. Слой электрического контакта на поверхности ячейки, куда входит свет, обычно присутствует в виде некоторой сетки и состоит из хорошего проводника, такого как металл.Поскольку металлические блоки светятся, линии сетки настолько тонки и широко разнесены, насколько это возможно, без ущерба для сбора тока, создаваемого ячейкой. Задний электрический контактный слой не имеет таких диаметрально противоположных ограничений. Он должен просто функционировать как электрический контакт и, таким образом, покрывать всю заднюю поверхность клеточной структуры. Поскольку задний слой также должен быть очень хорошим электрическим проводником, он всегда сделан из металла.
Поскольку большая часть энергии солнечного света и искусственного света находится в видимом диапазоне электромагнитного излучения, поглотитель солнечного элемента должен эффективно поглощать излучение на этих длинах волн.Материалы, которые сильно поглощают видимое излучение, относятся к классу веществ, известных как полупроводники. Полупроводники толщиной около одной сотой сантиметра или меньше могут поглощать весь падающий видимый свет; поскольку слои, образующие контакты и контактные слои, значительно тоньше, толщина солнечного элемента по существу равна толщине поглотителя. Примеры полупроводниковых материалов, используемых в солнечных элементах, включают кремний, арсенид галлия, фосфид индия и селенид индия меди.
Когда свет падает на солнечный элемент, электроны в поглощающем слое возбуждаются из «основного состояния» с более низкой энергией, в котором они связаны с конкретными атомами в твердом теле, до более высокого «возбужденного состояния», в котором они может двигаться через твердое тело.В отсутствие слоев, образующих соединение, эти «свободные» электроны находятся в случайном движении, и поэтому не может быть ориентированного постоянного тока. Однако добавление слоев, образующих соединение, индуцирует встроенное электрическое поле, которое создает фотоэлектрический эффект. По сути, электрическое поле дает общее движение электронам, которые проходят через слои электрического контакта во внешнюю цепь, где они могут выполнять полезную работу.
Материалы, используемые для двух слоев, образующих соединение, должны отличаться от поглотителя, чтобы создавать встроенное электрическое поле и проводить электрический ток.Следовательно, это могут быть разные полупроводники (или один и тот же полупроводник с разными типами проводимости), или они могут быть металлом и полупроводником. Материалы, используемые для создания различных слоев солнечных элементов, по существу такие же, как и материалы, используемые для изготовления диодов и транзисторов в твердотельной электронике и микроэлектронике ( см. Также электроника: оптоэлектроника). Солнечные элементы и микроэлектронные устройства используют одну и ту же базовую технологию. Однако при изготовлении солнечных элементов стараются создать устройство большой площади, поскольку вырабатываемая мощность пропорциональна освещаемой области.В микроэлектронике цель, конечно, состоит в том, чтобы создавать электронные компоненты все меньших размеров, чтобы увеличить их плотность и скорость работы в полупроводниковых микросхемах или интегральных схемах.
Фотоэлектрический процесс имеет определенное сходство с фотосинтезом, процессом, посредством которого энергия света преобразуется в химическую энергию растений. Поскольку солнечные элементы, очевидно, не могут производить электроэнергию в темноте, часть энергии, которую они вырабатывают под воздействием света, во многих приложениях сохраняется для использования, когда свет недоступен.Одним из распространенных способов хранения этой электрической энергии является зарядка электрохимических аккумуляторных батарей. Эта последовательность преобразования энергии света в энергию возбужденных электронов, а затем в запасенную химическую энергию поразительно похожа на процесс фотосинтеза.
Принцип работы и разработка солнечной батареи
Горячие советы: Слово в этой статье — около 2600, а время чтения — около 15 минут.
Резюме
Из-за постоянной потребности человечества в возобновляемых источниках энергии люди преданы разработке новых источников. Энергия, которую солнце сияет на поверхности Земли за 40 минут, может использоваться в течение одного года со скоростью текущего глобального потребления энергии.Разумное использование солнечной энергии станет долгосрочной стратегией развития человечества для решения энергетических проблем, а также является одной из наиболее изученных горячих точек исследований. В этой статье будут представлены различные типы новых солнечных элементов, а также принцип и развитие солнечных элементов. В то же время мы сравним эффективность конверсии и перспективы их развития.
Каталоги
Каталоги | I.Фон солнечных батарей | 4. Нанокристаллические солнечные элементы | 3. SunCats |
II. Типы солнечных батарей | 5. Органические солнечные элементы | 4. Солнце | |
1. Кремниевый солнечный элемент | III. Некоторые необычные конструкции солнечных батарей | IV. Принцип работы солнечных батарей | |
| Многокомпонентные тонкопленочные солнечные элементы | 1. E-Saving Battery | V. Фотовольтаический эффект | |
3. Полимерный многослойный модифицированный электрод типа солнечных батарей | 2. Складная солнечная батарея | |
Введение
I.Solar Cell Backgroud
Энергетика является не только основной отраслью национальной экономики, но и наукоемкой отраслью.« Безопасный, эффективный и низкоуглеродистый » воплощает в себе характеристики современных энергетических технологий, а также является основным направлением, чтобы захватить командную высоту будущих энергетических технологий.
В настоящее время разработка новых источников энергии в основном концентрируется на возобновляемых источниках энергии, таких как солнечная энергия, водородная энергия, энергия ветра и геотермальная энергия, среди которых ресурсы солнечной энергии многочисленны и широко распространены, и являются наиболее перспективными источниками возобновляемой энергии.Ввиду глобальной нехватки энергии и таких проблем загрязнения окружающей среды, как растущая проблема, солнечная фотоэлектрическая энергия привлекла внимание всего мира и сосредоточилась на развитии новых отраслей благодаря своим чистым, безопасным, удобным, эффективным и другим характеристикам.
С момента открытия французским ученым Э. Беккерелем в 1839 году фотоэлектрического эффекта жидкости (называемого фотоэлектрическим явлением), солнечная батарея имеет долгую историю развития, насчитывающую более 160 лет.С точки зрения общего развития, как фундаментальные исследования, так и технический прогресс сыграли положительную роль в их продвижении. Практическое применение солнечных элементов сыграло решающую роль после успешной разработки солнечных батарей на основе монокристаллического кремния, созданной тремя учеными из Bell Laboratories США, что является важной вехой в истории развития солнечных элементов. Пока что основная структура и механизм солнечных элементов не изменились.
В связи с постоянным спросом человечества на возобновляемую энергию люди преданы разработке новых источников.Энергия, которую солнце сияет на поверхности Земли за 40 минут, может использоваться в течение одного года со скоростью текущего глобального потребления энергии. Разумное использование солнечной энергии станет долгосрочной стратегией развития человечества для решения энергетических проблем, а также является одной из наиболее изученных горячих точек исследований. В этой статье будут представлены различные типы новых солнечных элементов, а также принцип и развитие солнечных элементов. В то же время мы сравним эффективность конверсии и перспективы их развития.
II.Типы солнечных элементов
1. Кремниевые солнечные элементы
Кремниевые солнечные элементы делятся на монокристаллические кремниевые солнечные элементы, поликристаллические кремниевые тонкопленочные солнечные элементы и аморфные кремниевые тонкопленочные солнечные элементы.
Монокристаллические кремниевые солнечные элементы имеют эффективность преобразования элементов, технология которых также является наиболее зрелой. Наибольшая эффективность преобразования в лаборатории составляет 24,7%, а производительность в масштабе производства составляет 15%.Это все еще доминирует в крупномасштабных заявлениях и промышленном производстве. Однако из-за высокой стоимости монокристаллического кремния очень трудно резко снизить стоимость. В целях экономии кремниевых материалов разработка поликристаллического кремния и пленки аморфного кремния появилась в качестве заменителей солнечного элемента с монокристаллическим кремнием.
По сравнению с монокристаллическим кремнием, тонкопленочный солнечный элемент из поликристаллического кремния имеет более низкую стоимость. При этом он имеет более высокую эффективность, чем тонкопленочный элемент из аморфного кремния.Его самая высокая эффективность преобразования составляет 18% в лаборатории и 10% в промышленном масштабе. В результате на рынке солнечной энергии вскоре будут доминировать тонкопленочные батареи из поликристаллического кремния.
Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния обладают большим потенциалом благодаря своим преимуществам: низкой стоимости, высокой эффективности преобразования и простоте массового производства. Однако из-за его эффекта затухания фотоэлектрической эффективности стабильность не является высокой, что напрямую влияет на его практическое применение. Если мы сможем в дальнейшем решить проблему стабильности и улучшить коэффициент конверсии, то солнечный элемент на основе аморфного кремния, несомненно, является одним из основных разработок солнечных элементов.
2. Многокомпонентные тонкопленочные солнечные элементы
Материалом многокомпонентных тонкопленочных солнечных элементов являются неорганические соли, в том числе соединения арсенида галлия III-V, сульфид кадмия, сульфид кадмия и тонкопленочная медная селеновая тонкопленочная ячейка.
Поликристаллические тонкопленочные тонкопленочные элементы из сульфида кадмия и теллурида кадмия обеспечивают более высокую эффективность, чем тонкопленочные солнечные элементы на основе аморфного кремния, более низкую стоимость, чем монокристаллические кремниевые элементы, а также они просты в серийном производстве.Тем не менее, кадмий является высокотоксичным, что приведет к серьезному загрязнению окружающей среды; следовательно, это не идеальная замена кристаллическим кремниевым солнечным элементам.
Эффективность преобразования ячеек соединения GaAs III-V может достигать 28%. Соединения GaAs имеют очень хорошую оптическую ширину запрещенной зоны и высокую эффективность поглощения. Они обладают сильной противорадиационной способностью и нечувствительны к теплу, которые подходят для изготовления высокоэффективных одноэлементных ячеек.Однако цена GaAs материалов высока, что в значительной степени ограничивает популярность ячеек GaAs.
Тонкопленочные ячейки из селенида меди-индия (называемые CIS) подходят для фотоэлектрического преобразования. Там нет проблемы фотодеградации. Они имеют такую же эффективность преобразования, что и поликремний. С низкими ценами, хорошими характеристиками и простым процессом и т. Д. СНГ станет важным направлением будущего развития солнечных батарей. Единственной проблемой является источник материала, так как индий и селен являются относительно редкими элементами, поэтому разработка таких батарей должна быть ограничена.
3. Полимерный многослойный модифицированный солнечный элемент типа электрода
Замена неорганических материалов органическими полимерами — это направление исследований недавно начавшегося производства солнечных батарей. Обладая преимуществами хорошей гибкости, простоты изготовления, широкого спектра источников материалов и низкой стоимости, органические материалы имеют большое значение для широкомасштабного использования солнечной энергии и обеспечения дешевой электрической энергией. Тем не менее, исследование производства солнечных элементов из органических материалов только началось, их срок службы и эффективность батареи не могут сравниться с неорганическими материалами, особенно с кремниевыми элементами.Вопрос о том, можно ли его превратить в практический продукт, все еще требует дальнейшего изучения.
4. Нанокристаллические солнечные элементы
Нанокристаллическая TiO 2 Химия Солнечные батареи — это недавно разработанный продукт. Его преимущества включают в себя низкую стоимость, простой процесс и стабильную производительность. В то же время его фотоэлектрическая эффективность стабильна на уровне выше 10%, а стоимость производства составляет всего от 1/5 до 1/10 от кремниевого солнечного элемента, а срок его службы может достигать более 20 лет.
Однако, поскольку исследования и разработки таких элементов только начались, предполагается, что нанокристаллические солнечные элементы постепенно появятся на рынке в ближайшем будущем.
5. Органические солнечные элементы
Органические солнечные элементы, как следует из их названия, — это солнечные элементы, которые образуют органические материалы. Мы не знакомы с органическими солнечными батареями, что разумно. Более 95% современных солнечных элементов изготовлены на основе кремния, а менее 5% оставшихся солнечных элементов изготовлены из других неорганических материалов.
Вот таблица эффективности преобразования различных типов солнечных элементов:
