Принцип работы солнечной батареи: Принцип работы солнечной батареи

Содержание

Солнечная батарея – принцип работы

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.

Содержание:

  1. В чем суть работы солнечной батареи?
  2. Итак, как же работает солнечная батарея?
  3. Типы солнечных батарей
  4. Зачем нужен контроллер в солнечной батарее?
  5. Садовые фонари на солнечных батареях

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:

  1.  Солнечная батарея представляет собой систему фотоэлектрических преобразователей, которые соединены друг с другом в заданной последовательности.
  2. В структуру фотопреобразователей входит два слоя, отличающихся между собой типом проводимости: n и p.
  3.  Основой для изготовления фотопреобразователей служит кремний.
  4.  В слое n-типа к кремнию добавлен фосфор; в результате их взаимодействия образуется избыток отрицательно заряженных электронов.
  5.  В слое р-типа к кремнию добавлен бор, в результате чего образуются так называемые «дыры», которые вызваны дефицитом в слое отрицательных зарядов.
  6. Оба слоя размещаются между разнозаряженными электродами

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:

  • уровень инсоляции;
  • размер фотопреобразователя;
  • тип фотоэлемента;
  • общего сопротивления приборов, подключенных к солнечной батарее.

Типы солнечных батарей

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.

Садовые фонари на солнечных батареях

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.

Читайте также:

Солнечные батареи – виды и принцип работы преобразователей

Ещё не так давно автономная система обеспечения электроэнергией была чем-то из области фантастики. Но в последнее время такие устройства приобретают большую популярность. Экономные жители европейских стран уже много лет пользуются солнечными батареями для обеспечения собственных домов электричеством.

В нашей стране такое новшество ещё на стадии развития, хотя некоторые домовладельцы уже успели по достоинству оценить выгоду от таких устройств. В первую очередь, это обусловлено постоянно растущими тарифами на электроэнергию и другие коммунальные услуги. Благодаря постоянному усовершенствованию современных технологий стоимость солнечных батарей медленно, но уверенно падает, что делает их более доступными для среднестатистического потребителя.

Как устроена солнечная батарея?

Конструктивное исполнение разных моделей устройств для преобразования энергии солнца в электричество имеет одинаковые элементы. Большая часть батарей состоит из следующих составляющих:

  • устройство, генерирующее, постоянный ток;
  • блок аккумуляторных батарей;
  • преобразователь постоянной величины тока в переменную.

В свою очередь, конструкция солнечной батареи состоит из фотоэлектрического преобразователя. При этом в изготовлении таких преобразующих компонентов используют кремний – достаточно дорогой природный материал. На сегодняшний день рассматривают два основных типа фотоэлектрических преобразователей:

  • преобразователи в изготовлении которых используется монокристаллический кремний;
  • приборы из поликристаллического материала.

К важнейшим техническим параметрам всех солнечных батарей можно отнести их коэффициент полезной мощности. Благодаря этому критерию определяется экономичность и качество преобразующего устройства. Полезная мощность определяется на основании показателей тока и напряжения, которые будут зависеть от степени интенсивности солнечных световых потоков, попадающих на фотоэлементы.

Хочется отметить, что величина тока на выходе солнечной батареи зависит не только от интенсивности солнца, но и от габаритов принимающих элементов. Во время дождя или зимой, когда постоянно пасмурно показатели мощности и напряжения в значительной мере снижаются, что обусловлено

уменьшением выходного тока.

Если батарею замкнуть на любой нагрузке с сопротивлением, то по такой цепи начинает протекать ток, величина которого будет зависеть от качества преобразующих элементов и интенсивности потока солнечных лучей. При этом мощностные показатели, выделяемые при нагрузке, будут равны величине тока и напряжения перемноженных между собой.

Максимальных мощностных показателей, потребляемых электрическими приборами можно достичь только при оптимальном сопротивлении, которое должно соответствовать пиковому значению КПД солнечной батареи. При этом каждое преобразующее устройство обладает своим оптимальным размером сопротивления, значение которого будет зависеть от параметров фотоэлектрических преобразователей.

В конструкцию солнечной батареи входят отдельные элементы, соединённые по последовательной или параллельной схеме благодаря чему, улучшаются параметры на выходе. При последовательном соединении увеличивается величина напряжения, а при параллельном — ток. Обычно на практике используют комбинацию методов соединения что позволяет увеличить общие выходные параметры прибора.

Преимуществом комбинированного варианта соединения фотоэлементов является и то что в значительной мере увеличивается надёжность солнечной батареи. В первую очередь — это обусловлено тем, что при выходе из строя отдельно взятого элемента это практически не повлияет на качество работы устройства в целом.

Для увеличения надёжности солнечных батарей их элементы шунтируются с помощью диодов. При этом для каждого фотоэлектрического элемента используется по 4 диода. Благодаря этому отдельные элементы, на которые не попадает свет не выходят из строя. В такой ситуации приблизительно на четверть уменьшается генерируемая выходная мощность.

Если пренебречь установкой диодов, то из-за перегрева элементы принимающие солнечные лучи будут ломаться, так как при отсутствии света они начинают потреблять ток, а благодаря использованию диодов ток не будет проходить через них.

Солнечные батареи – принцип работы

Все преобразователи световой энергии в электрическую работают по достаточно простому принципу, который известен большинству людей ещё со школьного курса физики. В частности, нужно вспомнить

принцип действия p-n перехода. Именно благодаря ему происходит превращение света в электричество.

Такой принцип работы может проиллюстрировать транзистор со срезанным корпусом. Лучи света, попадая, на p-n переход преобразуются в электрический ток, о появлении которого будет свидетельствовать вольтметр, подключённый к выводам. При этом если увеличить площадь перехода показатели электроэнергии также возрастут. Поэтому все современные батареи имеют достаточно большие габариты, позволяющие в полной мере удовлетворить нужды потребителей в электрической энергии.

С каждым годом происходит усовершенствование материалов и конструкции солнечных батарей, благодаря чему в значительной мере увеличивается коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую. При этом параметры тока и напряжения на выходе прибора зависят от степени освещённости фотоприёмников.

Кремниевые преобразователи солнечной энергии

Солнечными батареями, изготавливаемыми из кремния, вырабатывается ток постоянной величины, образуемый благодаря попаданию на кремневодородные элементы потоков солнечного света. Особенность материала такова что световые потоки, попадающие на поверхность, производят сдвиг электронов с орбиты атома. Благодаря этому свободные электроны вырабатывают электричество. Такие преобразователи обладают высокой производительностью, но имеют сложную в изготовлении конструкцию, из-за которой значительно возрастает цена устройства. При этом на сегодняшний день различают определённые модели кремниевых устройств.

  1. Монокристаллический преобразователь, отличительной особенностью элементов которого является общая направленность чувствительных к свету ячеек в одном направлении. Это, в свою очередь, позволяет работать солнечной батарее с максимальным коэффициентом КПД. Но для качественной работы фотоприёмники должны быть постоянно развёрнуты к свету.
  2. Поликристаллическое устройство работает благодаря пластинам, состоящим, из разнонаправленных кристаллов кремния что снижает уровень КПД на несколько процентов. Также такие солнечные батареи отличаются внешне, так как состоят из пластин с правильной формой и тёмно-синим окрасом. Неоднородность оттенка и структуры таких устройств обусловлена разнородностью кристаллов кремния и наличием различных примесей.
  3. Аморфное преобразующее устройство представляет собой тончайшие кремниевые слои, получаемые путём напыления материала в условиях вакуума. В качестве основы берут высококачественную металлическую фольгу, стекло или полимерные материалы. Такие солнечные батареи имеют незначительный КПД по сравнению с другими преобразователями. Это в первую очередь обусловлено повышенным выгоранием кремниевого слоя под влиянием радиации солнечных лучей. Как стало известно, из практики качество работы аморфного преобразователя через несколько месяцев снижается на 25%, а по прошествии нескольких лет солнечная батарея совсем перестаёт работать.
  4. Гибридный фотопреобразователь – устройство, объединившее в себе аморфные панели и микрокристаллический кремний. Качество работы гибридного преобразователя приближено к характеристикам поликристаллического аналога, с единственным отличием в том, что уровень КПД даже при рассеянном свете на порядок выше. Помимо этого, такие солнечные батареи могут преобразовывать как ультрафиолетовый спектр, так и инфракрасное излучение.

Полимерный преобразовать солнечной энергии

Полимерный преобразователь солнечной энергии в электрическую – перспективный вариант замены кремниевого аналога. Прибор состоит из плёнки с полимерным активным слоем, электродов из алюминия и подложки с высокой гибкостью. Благодаря объединению всех фотоэлементов между собой получается устройство рулонного типа.

Такие солнечные батареи достаточно гибкие и имеют незначительный вес. При этом их стоимость намного ниже чем у аналогов из кремния, который является дорогостоящим материалом. Помимо этого, такие системы обладают высокой экологичностью что очень актуально на сегодняшний день.

Хочется отметить, что полимерные солнечные батареи имеют невысокий КПД. Для широкого потребителя первые такие устройства начали производить в Дании. При этом сама процедура производства происходит за счёт многослойной печати фотоэлементов на специальной гибкой плёнке, которую можно разрезать по любым размерам что очень удобно. Стоимость плёночного элемента намного меньше чем у аналогов из кремния. Но повстречать такую солнечную батарею на прилавках магазинов практически невозможно. Процесс производства только входит в начальную стадию развития.

Работа солнечной батареи в плохую погоду

Солнечная батарея – замечательный источник электричества, придуманный человеком. Но из-за того, что основной работы таких устройств является солнечный свет, то если на улице дождь или тучи, эффективность их работы падает в разы. Особенно это актуально в осенне-зимний период года, когда погода не балует большим количеством солнечных дней.

Исходя из опыта использования солнечных источников электричества, зимой коэффициент производимой энергии падает практически в 5 раз. А если взять во внимание, что производительность таких устройств изначально ниже стандартного электроснабжения, то использование солнечных батарей зимой или в пасмурную погоду практически бессмысленно.

Помимо этого, при выпадении снега нужно выполнять очистку панелей, причём делать это нужно с максимальной осторожностью, так как любой дефект или повреждение фотоэлементов значительно снизит работу батареи в целом. А если говорить об осадках в виде града, то они просто губительны для солнечных батарей, так как все модули от механических ударов льдинок приходят в полную негодность.

Естественно, на сегодняшний день можно увеличить производительность солнечного источника электроэнергии в пасмурную погоду или зимой. Для этого были разработаны специальные приборы, отслеживающие положение солнца. Это позволяет моноблоку располагаться под правильным углом к источнику света. В первую очередь — это важно по той простой причине, что даже незначительное отклонение батареи от солнца сильно снижает её производительность. И чем сильнее угол отклонения, тем меньше электричества вырабатывается устройством.

Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей. Материалы для солнечных элементов



Основные принципы работы солнечных батарей

Рис.1. Конструкция солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис.2б).

Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода:
а) - в начальный момент освещения;
б) - изменение зонной модели под действием
постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис.3):

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис.4), включающая источник тока

Iph=SqNoQ

где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (

Рис.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 3).

Рис.4. Эквивалентная схема солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна

P = Iph*U = x*Iкз*Uхх,

где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода.

Материалы для солнечных элементов

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

  • оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
  • генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
  • солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
  • полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
  • структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем.

Рис.5. Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки

При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного объемного заряда (обедненного слоя) в а-Si:Н.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н, легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-n-структурой (рис.6). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема – диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм), поэтому в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света.

Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. рис.6).

Рис.6. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а)
и расчетное распределение электрического поля (б)

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора (

Рис.7. р-i-n-Структура на стеклянной (а) и стальной (б) подложке

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт. Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Рис.8. Солнечная батарея с поперечным переходом

Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом [4]: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H (рис.8). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.

Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей — арсенид галлия. Это объясняется таким его особенностями, как:

  • почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;
  • повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
  • высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
  • относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
  • характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании СЭ

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе —широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики.

Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH 1,2–2,0.

Рис.9. Структура солнечного элемента на основе CdTe

Еще один перспективный материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe (рис.9).

Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe – осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5–6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм (рис.10). Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

Рис.10. Получение пленок CuGaSe2

Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4–1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.

Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки.

Основа СЭ данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило – цис-(NCS)2бис(4,4’-дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (рис.11). Фотоэлектрод такого устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид (I-/I3-).

Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин – органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность. Основной недостаток – низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

Рис.11. Солнечная батарея на основе органических материалов

Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на позолоченной подложке.

Рис.12. Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников.

В термофотовольтаической ячейке (рис.12) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов – эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.

Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов

Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

В типичном многопереходном солнечном элементе (рис.13) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Рис.13. Принцип построения многопереходного солнечного элемента

Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2.

Рис.14. Каскадный элемент

На рис.14 изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Рис.15. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов a-SiGe:H

Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (рис.15). Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.



Принцип работы и устройство солнечной батареи

В профессиональных кругах панели, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, называют фотоэлектрическими преобразователями, которые в разговорной речи или при написании понятных для широких масс статей принято называть солнечными батареями. Принцип работы этих устройств, первые рабочие экземпляры которых появились достаточно давно, на самом деле достаточно простой для понимания человеком, имеющим только знания со школьной скамьи.

Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию. В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей, называемых солнечными батареями.

Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё.

В структуре солнечной батареи используется p-n переход и пара электродов для снятия выходного напряжения

На картинке выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20 % КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.sun-battery.biz он примерно равен всего 10 %, при том, что для каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает.

Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом он может достигать 17 % и 15 % соответственно.

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве примесей для изготовления пластины, вырабатывающей положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой системы

В современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям.

Солнечная система представляет собой совокупность солнечной батареи и аккумулятора

Для увеличения мощности, выходного напряжения и тока на основе солнечных батарей создаются панели, где отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно.

Принцип работы солнечных панелей

Применение солнечных батарей

Использование солнечной энергии для создания солнечных электростанций является очень выгодным и не таким уж дорогим источником электроэнергии. Широкое применение солнечных батарей нашли не только в промышленности и других отраслях, но и для индивидуальных нужд.

Со временем солнечные батареи становятся дешевле и все большее число людей приобретают их и используют в качестве источника альтернативной энергии. На солнечных панелях работают калькуляторы, радиоприемники, фонари на аккумуляторах с подзарядкой от солнечной панели.

Есть даже корейский мобильный телефон, который может заряжаться от солнечных панелей. Появились небольшие переносные электростанции на солнечных панелях, которыми пользуются туристы, рыбаки, охотники. Сейчас никого не удивишь автомобилем с солнечной панелью на крыше.

Как работают солнечные батареи

Солнечная панель состоит из множества фотоэлементов, которые при освещении солнечными лучами создают разность потенциалов.  Теперь, соединяя эти фотоэлементы последовательно, мы увеличим величину постоянного напряжения, а соединяя параллельно, увеличим силу тока.

Устройство солнечных батарей

Т. е., соединяя фотоэлементы последовательно – параллельно мы можем достичь большой мощности солнечной панели. Также батареи можно собирать параллельно и последовательно в модуле и добиться значительного увеличения напряжения, тока и мощности такого модуля.

Принцип работы солнечной панели

Кроме солнечных батарей схема имеет еще такие устройства как контроллер, необходимый для контроля заряда аккумулятора, инвертор имеет функцию преобразования постоянного напряжения в стабильное переменное, для потребителей электроэнергии. Аккумуляторы предназначены для накопления электроэнергии.

Как работают фотоэлементы солнечной батареи

Еще Беккерель доказал, что энергию солнца можно преобразовать в электричество, освещая специальные полупроводники. Позднее эти полупроводники стали называть фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой два слоя полупроводника имеющих разную проводимость. С обеих сторон к этим полупроводникам припаиваются контакты для подключения в цепь. Слой полупроводника с n проводимостью является катодом, а слой с p проводником анодом.

Проводимость n называют электронной проводимостью, а слой p дырочной проводимостью. За счет передвижения «дырок» в p слое во время освещения, создается ток. Состояние атома потерявшего электрон называется «дырка». Таким образом, электрон перемещается по «дыркам» и создается иллюзия движения «дырок».

Принцип работы фотоэлемента

В действительности «дырки» не передвигаются. Граница соприкосновения проводников с разной проводимостью называется p-n переходом.  Создается аналог диода, который выдает разность потенциалов при его освещении. Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода.

Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток. Величина разности потенциала зависит от размеров фотоэлемента, силы света, температуры. Основной первого фотоэлемента стал кремний. Однако высокую чистоту кремния получить трудно, стоит это недешево.

Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода. Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток

Поэтому сейчас ищут замену кремнию. В новых разработках кремний заменен на многослойный полимер с высоким КПД до 30%. Но такие солнечные панели дорогие, и пока отсутствуют на рынке. КПД солнечных батарей можно повысить, если устанавливать их на южной стороне и под углом не меньше 30 градусов.

Рекомендуется, солнечные батареи устанавливать на устройство слежения за движением солнца. Это устройство передвигает панели таким образом, чтобы они получали максимально возможное освещение лучами солнца от восхода до заката. При этом КПД солнечных панелей возрастает достаточно сильно.

Как работает солнечная батарея. Принцип работы солнечной энергии

Проще говоря, панель солнечных батарей (фотоэлементы) работают, позволяя фотонам, или частицам света, выбивать электроны, свободные от атомов, генерируя электрическую энергию. Панели солнечных батарей состоят из более малых блоков называемыми фотогальваническими элементами. (Фотовольтаические середины они преобразовывают солнечный свет электроэнергию) много соединенных совместно элементов составляют панель солнечных батарей.

 

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи

Каждый фотоэлемент солнечных батарей – это в основном сэндвич, состоящий из двух слоев полупроводящего материала, обычно кремния, который используется в микроэлектронике.

Для работы фотоэлементов необходимо создать электрическое поле. Подобно магнитному полю, которое возникает в присутствии противоположных полюсов, электрическое поле возникает, когда противоположные заряды разделены. Чтобы получить это поле, производители смешивают кремний с другими материалами, давая каждому срезу панели положительный или отрицательный электрический заряд.

В частности в верхний слой кремния смешивают с фосфором, который добавляет дополнительные электроны с отрицательным зарядом к этому слою. Между тем, нижний слой получает дозу бора, что приводит к меньшему количеству электронов или положительному заряду. Это все доходит до появления электрического поля на соединении между слоями. Затем, когда фотон солнечного света выбьет свободный электрон, электрическое поле вытеснит этот электрон из кремниевого соединения.

Несколько других компонентов панели превращают эти электроны в мощность. Металлические проводящие пластины по бокам панели собирают электроны и переносят их на провода. В этот момент электроны могут течь, как любой другой источник электричества.

Зачем нужен солнечный инвертор или преобразователь?

Внутри солнечных батарей вырабатывается постоянный ток, а в сети используется переменный, для этого придумали инвертор.

Принцип работы инвертора солнечной электроэнергии заключается в том, что подавая электрическую энергию постоянного тока напряжения от солнечных батарей и преобразует ее в напряжение переменного тока. Вместе с инвертированием постоянного тока в переменный ток, они также обеспечивают замыкание в землю и защиту системы, в том числе производство энергии и отслеживание точки максимальной мощности.

Центральные инверторы доминировали в солнечной промышленности с самого начала. Введение микро-инверторов является одним из самых больших технологических сдвигов в отрасли ФОТОВОЛЬТАИКИ. Микро-инверторы оптимизируют для каждой панели солнечных батарей индивидуально, а не для всей системы. Это позволяет каждой панели солнечных батарей работать используя максимально свой потенциал. Когда центральный инвертор имеет проблему на одной панели солнечных батарей (возможно она в тени или не мытая) это может снизить производительность всего блока солнечных батарей. Для микро-инверторов это не проблема. Если одна панель солнечных батарей или несколько работают не правильно, остальная часть солнечной батареи по-прежнему будет работать эффективно.

Недавно исследователи произвели ультратонкие, гибкую солнечную батарею толщиной всего 1,3 микрона около 1/100 ширины человеческого волоса и в 20 раз легче, чем лист офисной бумаги. На самом деле, панели настолько легкие, что они могут сидеть поверх мыльного пузыря, и все же они производят энергию с такой же эффективностью, как стеклянные солнечные батареи, сообщили ученые в исследовании, опубликованном в 2016 году в журнале Organic Electronics. Более легкие, более гибкие солнечные элементы, такие как они, могут быть интегрированы в архитектуру, аэрокосмическую технологию или даже носимую электронику.

Есть и другие электростанции использующие энергию солнца, включая солнечную тепловую и концентрированную солнечную энергию — CSP), которые работают по-другому, чем фотоэлектрические солнечные панели, но все используют энергию солнца, либо для создания электроэнергии, либо для нагрева воды или воздуха.

Три основных типа солнечных батарей

-Монокристаллические солнечные панели изготавливаются в длинных цилиндрах и нарезаются тонкими пластинами. Пока этот процесс энергии интенсивен и использует больше материалов, он производит клетки высокой эффективности. Монокристаллические модули фотоэлемента могут иметь КПД до 23% по данным некоторых лабораторных тестов. На долю монокристалла приходится чуть более трети мирового рынка.

-Поликристаллические солнечные батареи фотоэлемента сделаны из жидкого кремния брошенного в квадратные слитки. Пока цены производства более низки, эффективность панелей то же низка КПД модуля близка к 20%. Поликристаллические ячейки составляют около половины мирового рынка PV.

-Тонкопленочные элементы включают в себя распыление или осаждение материалов (аморфного кремния, кадмия-теллурида или другого) на поверхности стекла или металла в тонких пленках, делая весь модуль одновременно вместо сборки отдельных ячеек. Этот подход приводит к снижению эффективности, но имеет более низкую стоимость. Тонкие пленочные панели составляют около десяти процентов мирового рынка PV.

Подробный принцип работы солнечной батареи

Фотоэлементы состоят из двух слоев полупроводникового материала, обычно это кристалы кремния. В нижнем слое фотоэлектрических ячеек, как правило находится, делегированный (смешанный с) бором для снижения количества положительного заряда он называется слоем P-типа, в то время как кремний в верхнем слое делегирован фосфором, чтобы уменьшить количество отрицательного заряда (N-тип).

Поверхность между слоями \”p-типа\” и \”N-типа\” называется p-n-переходом и образует разность потенциалов. Движение электронов по этой поверхности создает электрическое поле, которое позволяет электронам течь из области p-типа в область N-типа.

При попадании солнечной энергии на панель, его энергия в солнечных батареях сбивает электроны в обоих слоях. Поскольку у слоев противоположные заряды, электроны текут из слоя N-типа в слой p-типа. Но электрическое поле в p-n-переходе, предотвращает это. Наличие внешней цепи, создает путь для перемещения электронов в из области n-типа в область p-типа, следовательно, напряжение.

Солнечные батареи: особенности и принцип работы | Новости г. Кинешма и Ивановской области

Без солнца нет жизни. Жители планеты уже научились использовать его энергию рационально.

Сейчас люди уже взаимодействуют с ультрафиолетовым излучением и применяют его для личных целей. В частности мы научились использовать его в качестве альтернативного способа выработки энергии. Результатом этой работы стало создание солнечных батарей. Большой ассортимент такой продукции можно найти на сайте — https://e-solarpower.ru/.

В чём основное отличие солнечных батарей

Солнечные батареи представляют собой электрические преобразователи. Внешне они напоминают особый вид панелей. Каждая из таких конструкций имеет две кремниевые пластины. Эти модули работают по следующему принципу: солнечную энергию они превращают в электрическую. Площадь таких панелей бывает самой различной. Эффективность таких устройств зависит от погодных условий.

Используются солнечные батареи, как в промышленных масштабах, так и на бытовом уровне.

Очень часто их используют для обогрева и освещения:

  • жилых домов;
  • теплиц;
  • хозяйств;
  • дворовых построек и т.д.

Солнечные батареи станут хорошим вариантом для жителей тех районов, где не проведена электроэнергия. Этот способ считается самым экономичным в плане денежных средств. Иногда такой способ отопления и освещения используют как дополнительный, во время долгосрочного отключения основного источника энергии. Как правило, в комплектации с солнечными батареями всегда идёт аккумуляторная установка, которая способна работать автономно довольно долгое время. В качестве резервного источника питания такие виды батарей применяют как в сельской местности, так и в городской.

Срок службы солнечных батарей довольно большой – около тридцати лет. Именно поэтому приобретение такого источника энергии можно считать выгодным денежным вложением.

Для того чтобы такое устройство функционировало как можно дольше необходимо:

  • постараться оградить устройство от сильных механических воздействий;
  • регулярно очищать его;
  • при необходимости установить ветрозащиту.

Как правило, солнечные батареи продаются как комплект. Они в обязательном порядке включают в себя аккумулятор. Считается, что такой вид оборудования способен осуществлять работу без скачков напряжения. Кроме всего прочего, вреда природе он не нанесёт. Одним из основных преимуществ такого вида энергии считается то, что она бесплатна. За неё не нужно будет платить в коммунальные службы.

 

ООО «Технолайн»

г. Владивосток, ул. Выселковая 48, строение 10.

ИНН: 2536276212

ОГРН: 1142536007723

 

 

ИП Зубкова И.В.

ИНН 253802507430

ОГРИП 315254300000977

Владивосток г, Давыдова ул, дом № 22, корпус а, кв. 30

Как работают солнечные элементы?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 15 августа 2020 г.

Почему мы тратим время на бурение в поисках нефти и копать уголь, когда в небе над нами стоит гигантская электростанция, посылающая чистая, непрерывная энергия бесплатно? Солнце, бурлящий шар ядерная энергетика, на борту достаточно топлива чтобы управлять нашей Солнечной системой еще на пять миллиардов лет, а солнечные панели может превратить эту энергию в бесконечную, удобную подача электроэнергии.

Солнечная энергия может показаться странной или футуристической, но это уже довольно банальность. На запястье могут быть кварцевые часы на солнечной энергии или карманный калькулятор на солнечных батареях. У многих людей есть фонари на солнечных батареях в их саду. Космические корабли и спутники обычно на них тоже есть солнечные батареи. Американское космическое агентство NASA даже разработало солнечную батарею. самолет! Как глобальное потепление продолжает угрожать нашей окружающей среде, мало сомнений в том, что солнечная энергия станет еще более важной формой возобновляемой энергии в будущем.Но как именно это работает?

Фото: самолет NASA Pathfinder, работающий на солнечной энергии. Верхняя поверхность крыла покрыта легкими солнечными батареями, питающими винты самолета. Изображение любезно предоставлено НАСА Центр летных исследований Армстронга.

Сколько энергии мы можем получить от Солнца?

Фото: Количество энергии, которое мы можем уловить от солнечного света, минимально на восходе и закате, а также максимум в полдень, когда Солнце находится прямо над головой.

Солнечная энергия потрясающая. В среднем каждый квадратный метр Земли поверхность получает 164 Вт солнечной энергии (цифру мы объясним более подробно чуть позже). Другими словами, вы могли поставить действительно мощную (150 ватт) настольную лампу на каждый квадратный метр Поверхность Земли и озарить всю планету энергией Солнца! Или поставить это по-другому, если бы мы покрыли только один процент пустыни Сахара солнечными панелей, мы могли бы производить достаточно электроэнергии чтобы привести в действие весь мир.Это хорошая вещь в солнечной энергии: их ужасно много - гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую излучает Солнце, прибывает Земля как смесь света и тепла. Оба они невероятно важно - свет заставляет растения расти, дает нам пищу, а тепло согревает нас достаточно, чтобы выжить, но мы не можем использовать ни то, ни другое Солнечный свет или тепло для работы телевизора или автомобиля. Мы должны найти способ преобразования солнечной энергии в другие формы энергии, которые мы можно использовать более легко, например, электричество.И это именно то, что солнечная клетки делают.

Что такое солнечные элементы?

Солнечный элемент - электронное устройство, улавливающее солнечный свет и превращает его прямо в электричество. Он размером с ладонь взрослого человека, восьмиугольной формы и голубовато-черного цвета. Солнечные элементы часто объединяются в более крупные блоки, называемые солнечными модулями и . соединены в еще более крупные блоки, известные как солнечные панели , (черные или плиты синего цвета, которые вы видите в домах людей, обычно с несколькими сотни отдельных солнечных элементов на крышу) или измельченные на куски (чтобы обеспечивают питание небольших гаджетов, таких как карманные калькуляторы и цифровые часы).

Фото: Крыша этого дома покрыта 16 солнечными панелями, каждая из которых состоит из сетки 10 × 6 = 60 маленьких солнечных элементов. В хороший день он, вероятно, вырабатывает около 4 киловатт электроэнергии.

Так же, как элементы в батарее, ячейки в солнечные панели предназначены для выработки электроэнергии; но где батарея клетки производят электричество из химикатов, клетки солнечной панели производят мощность, вместо этого улавливая солнечный свет. Их иногда называют фотоэлектрическими (ФЭ). клетки, потому что они используют солнечный свет («фотография» происходит от греческого слова «свет») для производства электричества ( слово "гальванический" - это отсылка к итальянскому первопроходцу в области электричества. Алессандро Вольта, 1745–1827).

Мы можем думать о свете как о крошечных частицах, называемых фотонов , поэтому луч солнечного света похож на ярко-желтый огонь Мы стреляем из триллионов в триллионы фотонов на нашем пути. Прилепите солнечный элемент на своем пути, и он улавливает эти энергичные фотоны и превращает их в поток электронов - электрический ток. Каждая ячейка вырабатывает несколько вольт электричества, поэтому работа солнечной панели состоит в объединении энергии, производимой многими клетками, для получения полезного количества электрического тока и Напряжение.Практически все современные солнечные элементы сделаны из ломтиков. кремния (один из самых распространенных химических элементов на Земле, обнаружен в песке), хотя, как мы вскоре увидим, множество других материалов также можно использовать (или вместо него). Когда солнечный свет попадает на солнечную батарею, энергия он выносит электроны из кремния. Их можно заставить Обтекайте электрическую цепь и питайте все, что работает электричество. Это довольно упрощенное объяснение! Теперь давайте возьмем присмотреться ...

Как изготавливаются солнечные элементы?

Фото: одиночный фотоэлемент.Изображение Рика Митчелла, любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Кремний - это материал, из которого сделаны транзисторы. (крошечные переключатели) в микрочипах сделаны - и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний - это тип материала, который называется полупроводником. Некоторые материалы, особенно металлы, пропускают через них электричество. очень легко; их называют кондукторами. Другие материалы, такие как пластик и дерево, на самом деле не пусть электричество течет через них в все; их называют изоляторами.Полупроводники, такие как кремний, ни проводники, ни изоляторы: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это сделать.

Солнечный элемент - это сэндвич из двух разных слоев кремния, прошли специальную обработку или добавили допинг, поэтому они позволит электричеству течь через них определенным образом. Нижний слой легированный, поэтому в нем немного меньше электронов. Он называется кремнием p-типа или положительного типа (потому что электроны заряжены отрицательно, и в этом слое их слишком мало).Верхний слой легируется противоположным образом, чтобы получить слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа. (Ты можно узнать больше о полупроводниках и легировании в наших статьях о транзисторах и интегральные схемы.)

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой p-типа кремния, барьер создается на стыке двух материалов ( чрезвычайно важная граница, где встречаются два вида кремния). Нет электроны могут пересечь барьер, поэтому, даже если мы подключим этот кремний бутерброд к фонарику, ток не протечет: лампочка не загорится вверх.Но если мы посветим на бутерброд, что-нибудь примечательное. бывает. Мы можем думать о свете как о потоке энергетического "света". частицы », называемые фотонами. Когда фотоны входят в В нашем сэндвиче они отдают свою энергию атомам кремния. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому Они перепрыгнуть через барьер на слой n-типа выше и обтекать схема. В чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и тем больше ток потоки.

Это то, что мы подразумеваем под фотоэлектрическими элементами - напряжение, создающее свет, - и это один из видов того, что ученые называют это фотоэлектрическим эффектом.

А теперь подробнее ...

Это базовое введение в солнечные элементы - и если это все, что вам нужно, вы можете здесь остановиться. В оставшейся части этой статьи более подробно рассказывается о различных типах солнечных элементов, о том, как люди применяют солнечную энергию на практике, и почему солнечной энергии требуется так много времени, чтобы поймать.

Насколько эффективны солнечные элементы?

Диаграмма: Сравнение эффективности солнечных элементов: самый первый солнечный элемент соскоблился с КПД всего 6 процентов; самый эффективный из всех произведенных на сегодняшний день отработал 46 процентов в лабораторных условиях.Большинство клеток относятся к типам первого поколения, которые могут управлять примерно 15 процентами в теории и, вероятно, 8 процентами на практике.

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит: что мы не можем волшебным образом создать энергию или превратить ее в тонкую воздуха; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает солнечный элемент не может производить больше электроэнергии, чем он воспринимает каждую секунду как свет. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразуют около 10–20 процентов энергии, которую они получать в электричество.Типичный кремниевый однопереходный солнечный ячейка имеет теоретическую максимальную эффективность около 30 процентов, известную как Предел Шокли-Кайссера . Это по сути потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов с разными длинами волн и энергии, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для улавливают фотоны только в определенной полосе частот, тратя все остальное. Некоторых фотонов, падающих на солнечный элемент, не хватает энергия, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно тратятся, в то время как у некоторых слишком много энергии, и избыток также тратится зря.Очень лучшие, современные лабораторные ячейки могут управлять 46 процентами эффективность в абсолютно идеальных условиях за счет использования нескольких узлов ловить фотоны разных энергий.

Реальные бытовые солнечные панели могут иметь КПД около 15 процентов, если процентный пункт здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Однопереходные солнечные элементы первого поколения не подходят 30-процентная эффективность предела Шокли-Кайссера, не говоря уже о лабораторный рекорд 46 процентов.Всевозможные надоедливые факторы реального мира съедают номинальный КПД, включая конструкцию панелей, их расположение и под углом, находятся ли они когда-либо в тени, насколько чистыми вы их держите, как они становятся горячими (повышение температуры снижает их эффективность), и вентилируются ли они (позволяя воздуху циркулировать под ними) чтобы держать их в прохладе.

Типы фотоэлектрических фотоэлементов

Большинство солнечных элементов, которые вы увидите сегодня на крышах людей, являются по сути просто кремниевые бутерброды, специально обработанные ("легированные") чтобы сделать из них более качественные электрические проводники.Ученые называют эти классические солнечные элементы как первое поколение, в значительной степени для дифференциации их от двух разных, более современных технологий, известных как вторичные и третье поколение. Так в чем разница?

Первое поколение

Фото: красочная коллекция солнечных элементов первого поколения. Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА. (НАСА-GRC).

Около 90 процентов солнечных элементов в мире изготавливаются из пластин. кристаллического кремния (сокращенно c-Si), вырезанного из крупных слитков, которые выращиваются в сверхчистых лабораториях в процессе, который может на выполнение потребуется до месяца.Слитки имеют форму монокристаллы ( монокристаллический или моно-Si) или содержат несколько кристаллов ( поликристаллический , мульти-Si или поли c-Si). Солнечные элементы первого поколения работают так же, как мы. показано в рамке вверху: они используют простой простой переход между слоями кремния n-типа и p-типа, которые вырезаны из отдельные слитки. Таким образом, слиток n-типа будет получен путем нагревания кусков кремния с небольшими количествами фосфора, сурьмы или мышьяка, как легирующая добавка, в то время как слиток p-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси.Затем срезы кремния n-типа и p-типа сливаются, чтобы соединение. Добавлены еще несколько наворотов (например, антибликовое покрытие, которое улучшает поглощение света и придает фотоэлектрические элементы их характерного синего цвета, защитное стекло на передней и пластиковой основе, и металлические соединения, чтобы ячейка могла быть включенным в цепь), но простой p-n переход - это суть большинство солнечных батарей. Это в значительной степени то, как все фотоэлектрические кремниевые солнечные клетки работают с 1954 года, когда ученые Bell Labs пионер технологии: сияющий солнечный свет на кремнии, извлеченном из песок, они вырабатывали электричество.

Второе поколение

На фото: тонкопленочная солнечная «панель» второго поколения. Энергогенерирующая пленка сделана из аморфного кремния, прикреплена к тонкой, гибкой и относительно недорогой пластиковой основе («подложке»). Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL (идентификатор изображения # 6321083).

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины, обычно фракция миллиметра (около 200 мкм, 200 мкм или около того). Но это абсолютные плиты по сравнению со вторым поколением. элементы, широко известные как тонкопленочные солнечные элементы (TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые примерно в 100 раз снова тоньше (глубиной несколько микрометров или миллионных долей метра).Хотя большинство из них по-прежнему сделаны из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в котором атомы расположены беспорядочно вместо точно упорядоченных в регулярной кристаллической структуре), некоторые из них изготовлены из других материалов, в частности теллурида кадмия (Cd-Te) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS). Потому что они чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие солнечные элементы второго поколения могут быть ламинированный на окна, световые люки, черепицу и все виды «подложки» (материалы основы), включая металлы, стекло и полимеры (пластмассы).То, что клетки второго поколения приобретают в гибкости, они приносят в жертву. эффективность: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, хотя первоклассная ячейка первого поколения может достичь КПД 15–20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается превзойти 7 процентов, лучшие тонкопленочные элементы Cd-Te выдерживают только около 11 процентов, а клетки CIGS работают не лучше, чем 7–12 процентов. Это один причина, почему, несмотря на свои практические преимущества, второе поколение элементы пока что оказали относительно небольшое влияние на рынок солнечной энергии.

Третье поколение

Фото: пластиковые солнечные элементы третьего поколения, созданные исследователями Национальной лаборатории возобновляемой энергии. Фото Джека Демпси любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 6322357).

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты первого и клетки второго поколения. Как и клетки первого поколения, они обещают относительно высокий КПД (30 процентов и более). Нравиться клетки второго поколения, они с большей вероятностью будут сделаны из материалы, отличные от «простого» кремния, такие как аморфный кремний, органические полимеры (изготовление органических фотоэлектрических элементов, OPV), кристаллы перовскита, и иметь несколько переходов (сделанных из нескольких слоев разных полупроводниковых материалы).В идеале это сделало бы их дешевле, эффективнее, и более практичны, чем клетки первого или второго поколения. В настоящее время мировой рекорд эффективности для солнечной энергии третьего поколения. составляет 28 процентов, достигнуто с помощью тандемного солнечного элемента перовскит-кремний в декабре 2018 года.

Сколько энергии мы можем получить с помощью солнечных батарей?

"Общая солнечная энергия, которая достигает Земли поверхность может удовлетворить существующие глобальные потребности в энергии в 10 000 раз ».

Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности / Гринпис, 2011 г. .

Теоретически огромная сумма. Забудем пока о солнечных батареях и просто рассмотрите чистый солнечный свет. До 1000 Вт чистой солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, указывая прямо на Солнце (это теоретическая мощность прямого полуденного солнечного света на безоблачный день - солнечные лучи падают перпендикулярно земной поверхность и дает максимальное освещение или инсоляцию , так как это технически известный). На практике после корректировки наклона планеты и времени суток, лучшее, что мы можем получить, это возможно, 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах. (даже в безоблачный день).Это составляет около 2–6 кВт / ч в день. (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландия или что-нибудь более услужливое, например Аризона или Мексика). Умножение производства на целый год дает нам что-то от 700 до 2500 кВтч на квадратный метр (700–2500 единиц электричество). В более жарких регионах явно гораздо больше солнечной энергии. потенциал: например, Ближний Восток получает около 50–100 на процент больше полезной солнечной энергии каждый год, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы составляют всего около 15 процентов эффективен, поэтому мы можем уловить только часть этого теоретического энергия.Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество мощность, которую вы можете сделать, очевидно, напрямую зависит от того, сколько площади вы может позволить себе накрыть клетками. Один солнечный элемент (примерно размером компакт-диска) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль состоит из массива примерно из 40 ячеек (5 рядов по 8 ячеек) мог составлять около 100–300 Вт; несколько солнечных панелей, каждая состоящий примерно из 3–4 модулей, поэтому может генерировать абсолютную максимум несколько киловатт (вероятно, достаточно, чтобы удовлетворить домашнюю пиковая мощность).

А как насчет солнечных ферм?

На фото: огромный проект солнечной генерации Аламоса площадью 91 гектар (225 акров) в Колорадо вырабатывает до 30 мегаватт солнечной энергии с помощью трех хитрых уловок. Во-первых, существует огромное количество фотоэлектрических панелей (500 штук, каждая из которых способна выработки 60кВт). Каждая панель установлена ​​на отдельном вращающемся узле, поэтому она может отслеживать Солнце по небу. И на каждой из них установлено несколько линз Френеля, которые концентрируют солнечные лучи на своих солнечных элементах.Фото Денниса Шредера любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 10895528).

Но предположим, что мы действительно хотим произвести больших единиц солнечной энергии. мощность. Чтобы произвести столько электроэнергии, сколько здоровенная ветряная турбина (с пиковая выходная мощность может быть два или три мегаватта), вам нужно около 500–1000 солнечных крыш. И чтобы конкурировать с большим угольным или атомным электростанция (номинальная мощность в гигаваттах, что означает тысячи мегаватт или миллиарды ватт), вам снова понадобится в 1000 раз больше - эквивалент около 2000 ветряных турбин или, возможно, миллион солнечных крыш.(Эти сравнения предполагают, что наша солнечная и ветровая энергия производят максимальную мощность.) Даже если солнечные элементы являются чистыми и эффективными источниками энергии, одна вещь, на которую они не могут претендовать в настоящий момент, - это эффективность использование земли. Даже те огромные солнечные фермы, которые сейчас появляются повсюду место производит только скромное количество энергии (обычно около 20 мегаватт, или около 1 процента от как большая, 2 гигаваттная угольная или атомная электростанция). Возобновляемые источники энергии в Великобритании Компания Ecotricity подсчитала, что требуется около 22000 панелей, уложенных на Участок площадью 12 га (30 акров) для создания 4.2 мегаватта мощности, примерно столько же, сколько два больших ветра турбин и достаточно для питания 1200 домов.

Власть народу

Фото: ветряная микротурбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать батарею, которая поддерживает этот предупреждающий знак о строительстве шоссе днем ​​и ночью. Солнечная панель установлена ​​лицом к небу на плоской желтой «крышке», которую вы видите прямо над дисплеем.

Некоторые люди обеспокоены тем, что солнечные фермы сожрут землю, которую мы потребность в реальных фермерских хозяйствах и производстве продуктов питания.Беспокойство о отвод земли упускает важный момент, если мы говорим о размещении солнечной энергии. панели на отечественные кровли . Экологи утверждают, что Настоящая цель солнечной энергетики не в том, чтобы создавать большие централизованные солнечные электростанции (чтобы можно было продавать мощные электричество бессильным людям с высокой прибылью), но вытеснить грязные, неэффективные, централизованные электростанции, позволяющие людям создают силу в том самом месте, где они ее используют. Что устраняет неэффективность производства электроэнергии на ископаемом топливе, загрязнение воздуха и выбросы углекислого газа, которые они производят, а также устраняет неэффективность передачи энергии с точки зрения производство до точки использования с помощью воздушных или подземных источников энергии линий.Даже если вам придется покрыть всю крышу солнечными батареями (или ламинируйте тонкопленочные солнечные элементы на все окна), если бы вы могли удовлетворить все ваши потребности в электроэнергии (или даже большую часть их), это не имело бы значения: ваша крыша в любом случае - просто потраченное впустую пространство. Согласно отчету Европейской фотоэлектрической промышленности за 2011 год [PDF] Ассоциации и Гринпис, нет необходимости покрывать ценные сельхозугодья с солнечными батареями: около 40 процентов всех крыш и 15 процент фасадов зданий в странах ЕС подходят для фотоэлектрических панели, которые составят примерно 40 процентов от общего спрос на электроэнергию к 2020 году.

Важно не забывать, что солнечная энергия переключает мощность поколения на точка мощности потребление - и это имеет большой практический преимущества. Наручные часы и калькуляторы на солнечных батареях теоретически не нуждаются в батареях (на практике у них есть резервные батареи) и многие из нас будут наслаждаться смартфонами на солнечных батареях, которые никогда не были нужны зарядка. Дорожные и железнодорожные знаки теперь иногда работают на солнечной энергии; мигающие знаки аварийного обслуживания часто оснащены солнечными батареями поэтому их можно развернуть даже в самых удаленных местах.В развивающиеся страны, богатые солнечным светом, но бедные электричеством инфраструктура, солнечные батареи питают водяные насосы, телефонные будки, и холодильники в больницах и поликлиниках.

Почему солнечная энергия еще не прижилась?

Ответ на этот вопрос - смесь экономических, политических и технологические факторы. С экономической точки зрения в большинстве в странах электричество, произведенное с помощью солнечных батарей, все еще дороже, чем электричество, произведенное путем сжигания грязи загрязняющие ископаемые виды топлива.В мире есть огромные инвестиции в ископаемое топливной инфраструктуры и, хотя могущественные нефтяные компании баловались в ответвлениях солнечной энергии они, кажется, гораздо больше заинтересованы в продление срока службы существующих запасов нефти и газа с такие технологии, как гидроразрыв (гидроразрыв). В политическом плане нефтяные, газовые и угольные компании чрезвычайно мощный и влиятельный и сопротивляющийся окружающей среде правила, которые поддерживают возобновляемые технологии, такие как солнечная и ветровая мощность. Технологически, как мы уже видели, солнечные элементы - это постоянные «незавершенные работы» и большая часть солнечной энергии в мире инвестиции по-прежнему основаны на технологиях первого поколения.Кто знает, возможно, пройдет еще несколько десятилетий, прежде чем недавние научные успехи делают экономическое обоснование использования солнечной энергии действительно убедительным?

Одна проблема с аргументами такого рода состоит в том, что они весят только основные экономические и технологические факторы и не учитывают скрытые экологические расходы на такие вещи, как разливы нефти, загрязнение воздуха, разрушение земель в результате добычи угля или климат изменения - и особенно будущие затраты, которые трудно или невозможно предсказать.Вполне возможно, что растущее осознание из этих проблем ускорит переход от ископаемого топлива, даже если не будет дальнейших технологических достижений; другими словами, может наступить время, когда мы больше не сможем откладывать всеобщее внедрение возобновляемых источников энергии. В конечном итоге все эти факторы взаимосвязаны. При убедительном политическом лидерстве мир мог взяться за солнечную революцию завтра: политика может заставить технологические усовершенствования, которые меняют экономику солнечной энергетики.

И одной экономики могло быть достаточно. Темп технологий, инноваций в производство и экономия на масштабе продолжают снижать стоимость солнечных батарей и панелей. Только с 2008 по 2009 год по словам аналитика BBC по окружающей среде Роджер Харрабин, цены упали примерно на 30 процентов, а Растущее доминирование Китая в производстве солнечной энергии с тех пор продолжает их сбивать. В период с 2010 по 2016 год стоимость крупномасштабных фотоэлектрических систем упала. примерно на 10–15 процентов в год, по данным Управление энергетической информации США; В целом цена перехода на солнечную энергию за последнее десятилетие упала примерно на 90 процентов, что еще больше укрепило позиции Китая на рынке.Шесть из десяти ведущих мировых производителей солнечной энергии теперь китайцы; в 2016 году около двух третей новых солнечных мощностей в США приходилось на Китай, Малайзию и Южную Корею.

Фото: Солнечные элементы - не единственный способ получить энергию из солнечного света или даже обязательно наилучшим образом. Мы также можем использовать солнечную тепловую энергию (поглощение тепла от солнечного света для нагрева воды в вашем доме), пассивную солнечную энергию (проектирование здания для поглощения солнечного света) и солнечные коллекторы (показаны здесь). В этой версии 16 зеркал собирать солнечный свет и концентрировать его на двигателе Стирлинга (серый прямоугольник справа), который является чрезвычайно эффективным производителем энергии.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL (идентификатор изображения # 6323238).

Быстро догнать?

Ожидается, что переломный момент для солнечной энергии наступит тогда, когда она сможет достичь чего-то, что называется паритетом сетки , что означает, что вырабатываемое вами электричество на солнечной энергии становится столь же дешевым, как мощность, которую вы покупаете из сети. Многие европейские страны ожидают достичь этого рубежа к 2020 году. Solar, безусловно, опубликовала очень впечатляющие темпы роста в последние годы, но важно помните, что он по-прежнему представляет только часть всего мира энергия.В Великобритании, например, солнечная промышленность хвасталась «важное достижение» в 2014 году, когда оно почти удвоило общее установленная мощность солнечных панелей примерно от 2,8 ГВт до 5 ГВт. Но что по-прежнему представляет собой лишь пару крупных электростанций и, на максимум выпуск , что составляет всего 8 процентов от общего объема производства в Великобритании потребность в электроэнергии примерно 60 ГВт (с учетом таких вещей, как облачность снизит его до какой-то доли 8 процентов).

По данным Управления энергетической информации США, в Соединенных Штатах, где была изобретена фотоэлектрическая технология, по состоянию на 2018 год, солнечный представляет только 1.6 процентов от общего производства электроэнергии в стране. Это примерно на 23 процента больше, чем в 2017 году (когда солнечная энергия составляла 1,3 процента), на 80 процентов больше, чем в 2016 году (когда этот показатель составлял 0,9 процента). и примерно в четыре раза больше, чем в 2014 году (когда солнечная энергия составляла всего 0,4 процента). Тем не менее, это примерно в 20 раз меньше угля. и в 40 раз меньше, чем все ископаемые виды топлива. Другими словами, даже 10-кратное увеличение солнечной энергии в США будет увидеть, что он производит не более половины электроэнергии, чем уголь сегодня (10 × 1,6 = 16 процентов по сравнению с 27.4% по углю в 2018 г.). Это Следует отметить, что два основных ежегодных энергетических обзора в мире, Статистический обзор мировой энергетики и международной Ключевая мировая энергетическая статистика энергетического агентства, почти не упоминает солнечную мощность вообще, кроме как в сноске.

Диаграмма

: Солнечная энергия с каждым годом производит больше нашей электроэнергии, но все еще далеко столько же, сколько угля. На этой диаграмме сравнивается процент электроэнергии, вырабатываемой в США за счет солнечной энергии. мощность (зеленая линия) и уголь (красная линия).В одних странах положение лучше, в других - хуже. Составлено Expainthatstuff.com с использованием исторических и текущих данных из Управление энергетической информации США.

Это изменится в ближайшее время? Просто могло бы. Согласно Доклад исследователей из Оксфордского университета 2016 г., стоимость солнечной энергии сейчас падает так быстро, что она должна обеспечить 20 процентов мировых потребностей в энергии к 2027 году, что станет серьезным изменением по сравнению с тем, где мы находимся сегодня, и гораздо более высокие темпы роста, чем кто-либо прогнозировал ранее.Могут ли продолжаться такие темпы роста? Может ли солнечная энергия действительно повлиять на изменение климата, пока не стало слишком поздно? Смотрите это пространство!

Краткая история солнечных элементов

  • 1839: Французский физик Александр-Эдмон Беккерель (отец пионера радиоактивности Анри Беккереля) обнаруживает, что некоторые металлы являются фотоэлектрическими: они производят электричество при воздействии света.
  • 1873: английский инженер Уиллоуби Смит обнаруживает, что селен является особенно эффективным фотопроводником (позже он был использован Честером Карлсоном в его изобретении копировального аппарата).
  • 1905: Физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн выясняет физику фотоэлектрического эффекта, открытие, которое в конечном итоге принесло ему Нобелевскую премию.
  • 1916: американский физик Роберт Милликен экспериментально доказывает теорию Эйнштейна.
  • 1940: Рассел Ол из Bell Labs случайно обнаруживает, что полупроводник с легированным переходом вырабатывает электрический ток при воздействии света.
  • 1954: Исследователи Bell Labs Дэрил Чапин , Calvin Fuller и Джеральд Пирсон создают первый практический фотоэлектрический кремниевый солнечный элемент, эффективность которого составляет около 6 процентов (более поздняя версия - 11 процентов).Они объявляют о своем изобретении, первоначально называвшемся «солнечной батареей», 25 апреля.
  • 1958: Космические спутники Vanguard, Explorer и Sputnik начинают использовать солнечные батареи.
  • 1962: 3600 солнечных батарей Bell используются для питания Telstar, новаторского телекоммуникационного спутника.
  • 1997: Федеральное правительство США объявляет о своей инициативе «Миллион солнечных крыш» - построить к 2010 году миллион крыш, работающих на солнечной энергии.
  • 2002: НАСА запускает свой солнечный самолет Pathfinder Plus.
  • 2009: Ученые обнаруживают, что кристаллы перовскита обладают огромным потенциалом в качестве фотоэлектрических материалов третьего поколения.
  • 2014: сотрудничество между немецкими и французскими учеными позволило установить новый рекорд КПД в 46 процентов для солнечного элемента с четырьмя переходами.
  • 2020: Согласно прогнозам, солнечные элементы будут соответствовать сетевому паритету (вырабатываемая вами солнечная энергия будет такой же дешевой, как и энергия, которую вы покупаете в сети).
  • 2020: Перовскитно-кремниевые элементы обещают значительное повышение эффективности использования солнечной энергии.

Solar 101: Как работает солнечная энергия (шаг за шагом)

Вы когда-нибудь смотрели на солнечные панели на крышах и задавались вопросом, что именно они делают и как? Что ж, эти высокотехнологичные пространства мерцающего стекла на самом деле являются всего лишь одним компонентом в сложной сети, которая использует возобновляемую энергию солнца для доставки электричества в дом.

Давайте посмотрим, как работает солнечная энергия, шаг за шагом.

Как солнечные батареи вырабатывают электричество?

ШАГ 1: Панели активируются солнечным светом.


Солнечная система стоечно-панельная

Каждая отдельная панель состоит из слоя кремниевых ячеек, металлического каркаса, стеклянного корпуса, окруженного специальной пленкой, и проводки. Для максимального эффекта панели группируются в «массивы» (упорядоченная серия) и размещаются на крышах или на больших открытых площадках. Солнечные элементы, которые также называются фотоэлектрическими элементами , поглощают солнечный свет в дневное время.

ШАГ 2: Ячейки вырабатывают электрический ток.


Слиток кремния и пластина

Внутри каждого солнечного элемента находится тонкая полупроводниковая пластина, сделанная из двух слоев кремния. Один слой заряжен положительно, а другой - отрицательно, образуя электрическое поле. Когда световая энергия солнца попадает на фотоэлектрический солнечный элемент, он возбуждает в нем энергию и заставляет электроны «отрываться» от атомов внутри полупроводниковой пластины. Эти свободные электроны приводятся в движение электрическим полем, окружающим пластину, и это движение создает электрический ток.

ШАГ 3: Преобразуется электрическая энергия.


Солнечный инвертор. Изображение предоставлено SMA Solar Technology AG

Теперь у вас есть солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество, но вырабатываемое электричество называется электричеством постоянного (или постоянного) тока, а это не тот тип электричества, который питает большинство домов, а именно электричество переменного тока (или переменного тока). К счастью, электричество постоянного тока можно легко преобразовать в электричество переменного тока с помощью устройства, называемого инвертором.В современных солнечных системах эти инверторы могут быть сконфигурированы как один инвертор для всей системы или как отдельные микроинверторы, прикрепленные за панелями.

ШАГ 4: Преобразованная электроэнергия питает ваш дом.


Солнечный микроинвертор

После того, как солнечная энергия преобразована из постоянного тока в переменный, она проходит через вашу электрическую панель и распределяется по дому для питания ваших приборов. Он работает точно так же, как электроэнергия, вырабатываемая через сеть вашей электроэнергетической компанией, поэтому ничего в доме не нужно менять.Поскольку вы по-прежнему остаетесь подключенными к своей традиционной энергетической компании, вы можете автоматически получать дополнительную электроэнергию, чтобы восполнить любую нехватку солнечной энергии из сети.

ШАГ 5: Счетчик нетто измеряет использование.


Умный электросчетчик

В пасмурные дни и в ночное время ваша солнечная черепица или панели могут не улавливать достаточно солнечного света для использования в качестве источника энергии; и наоборот, в середине дня, когда никого нет дома, они могут накапливать излишки энергии - больше, чем вам нужно для работы вашего дома.Вот почему счетчик используется для измерения электроэнергии, протекающей в обоих направлениях - в ваш дом и из него. Ваша коммунальная компания часто предоставляет кредиты за любую избыточную мощность, которую вы отправляете обратно в сеть. Это известно как чистый счетчик .

Заключение

Теперь, когда вы знаете основы солнечной энергии, вы можете поразиться тому, как современные фотоэлектрические технологии могут использовать огромную энергию солнца для управления домом. Возможно, это и не ракетостроение, но это определенно проявление человеческой изобретательности в лучшем виде.

Заинтересованы в солнечной кровле для вашего дома? Изучите наши солнечные продукты или найдите сертифицированного установщика солнечных батарей в вашем регионе.

Типы батарей

и принципы их действия | AE 868: Commercial Solar Electric Systems

Батареи - это электрохимические устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую. Батареи классифицируются как первичные батареи и вторичные батареи .

Первичные батареи
  • Преобразует химическую энергию в электрическую без подзарядки.
  • Примеры включают угольно-цинковые батареи и щелочные батареи.
Аккумуляторы вторичные
  • Аккумуляторные батареи AKA преобразуют химическую энергию в электрическую и могут перезаряжаться, когда химическая реакция обращается вспять с использованием принудительной электрической энергии.
  • Примеры включают свинцово-кислотные батареи и литий-ионные батареи.
Обзор:

Чтобы узнать больше о технологиях аккумуляторов, вы можете обратиться к EME 812 (9.3. Аккумуляторная батарея). (Примечание: ссылка также находится на странице обзора этого урока.)

Отражение

Какой тип батареи подходит для фотоэлектрических систем? Первичный или вторичный?

Нажмите, чтобы ответить ...

ОТВЕТ: Поскольку фотоэлектрические системы требуют более частого накопления энергии в течение дня, мы заинтересованы в технологии вторичных батарей.

Существует несколько видов технологий вторичных аккумуляторов, которые можно использовать для различных целей, например, свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы.Свинцово-кислотные батареи используют самую старую и наиболее совершенную из доступных технологий, хотя литий-ионные батареи активно исследуются (но их стоимость все еще неконкурентоспособна).

Итак, как мы можем сравнить батареи для лучшего кандидата для фотоэлектрических систем?

Давайте посмотрим на график Ragone, характерный для имеющихся батарей. Это немного отличается от сюжета Рагона, показанного ранее. На рис. 3.3 показано сравнение различных аккумуляторных технологий с точки зрения гравиметрической плотности энергии и объемной плотности энергии.Если мы сравним аккумуляторные технологии, основанные как на энергии на объем, так и на энергии на вес, мы увидим, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют меньшую плотность энергии, чем литий-ионные. По мере того, как вы перемещаетесь по оси «x», гравиметрическая плотность энергии увеличивается. Другими словами, батарея обеспечивает более высокую энергию на единицу веса. По оси «y» объемная плотность энергии увеличивается по мере того, как мы поднимаемся вверх. Другими словами, количество энергии выше на единицу объема.

Рисунок 3.3: График Рагона, показывающий зависимость объемной энергии от гравиметрической энергии для различных типов батарей

Объемная плотность энергии - это количество энергии, накопленное на единицу объема батареи.Типичная единица измерения - Втч / л. Мы можем заметить, что чем выше объемная плотность энергии, тем меньше размер батареи.

Гравиметрическая плотность энергии - это количество энергии, накопленное на единицу массы батареи. Типичная единица измерения - Втч / кг. Мы также можем заметить, что чем больше гравиметрическая плотность энергии, тем легче аккумулятор.

Как показано на Рисунке 3.3, свинцово-кислотные батареи имеют самую низкую объемную и гравиметрическую плотности энергии среди батарей, в то время как литий-ионные батареи демонстрируют наилучшее сочетание.

Отражение

Поскольку литий-ионные батареи обладают лучшими характеристиками с точки зрения энергии и удельной мощности, почему это не самая распространенная технология для фотоэлектрических систем?

Нажмите, чтобы ответить ...

ОТВЕТ: Литий-ионные батареи имеют идеальные свойства материала, что делает их оптимальным выбором для хранения, но стоимость по-прежнему является основным фактором, определяющим возможность литий-ионных аккумуляторов как лучшего выбора для более широких фотоэлектрических приложений.

Тем не менее, давайте подробнее рассмотрим свинцово-кислотную батарею.

Подобно большинству батарей, свинцово-кислотная батарея состоит из нескольких отдельных ячеек, каждая из которых имеет номинальное напряжение около 2 В. Свинцово-кислотные батареи могут иметь разные типы сборки. Например, обычное напряжение свинцово-кислотной аккумуляторной батареи составляет 12 В, что означает, что 6 ячеек соединены последовательно.

Когда аккумулятор перезаряжается, поток электронов меняется на противоположный, поскольку внешняя цепь не имеет нагрузки, но источник с более высоким напряжением, чем батарея, может вызвать обратную реакцию.В фотоэлектрической системе этот источник представляет собой не что иное, как фотоэлектрический модуль или массив, обеспечивающий солнечную энергию и способный заряжать батарею, когда доступно солнце. Как мы узнали ранее в Уроке 1, использование хранилища более распространено в автономных фотоэлектрических системах, потому что нет другого источника энергии для поддержки фотоэлектрического массива, когда солнце недоступно. Другими словами, нагрузки зависят от наличия солнца. В этом случае может оказаться очень полезным такой вариант хранения энергии, как батареи. В качестве примера на рисунке 3 показан типичный дневной профиль солнечного излучения.4. Если мы посмотрим на оранжевую кривую, которая представляет дневную солнечную освещенность, мы увидим, что значительное количество энергии вырабатывается в дневное время, в то время как в ночное время энергия не генерируется. С другой стороны, суточная потребность в энергии, представленная синей кривой, показывает, что энергия необходима в течение всего дня с более высокими потребностями в определенные периоды времени. Когда мы помещаем кривую суточной нагрузки (или дневной профиль нагрузки) на тот же рисунок, мы видим, что существует значительный спрос на энергию, когда нет солнца.

Рис. 3.4: Ежедневная солнечная освещенность (оранжевый) и дневной профиль нагрузки (синий) для State College, PA.

Кредит: разработан с использованием SAM

.

Для интерактивных систем коммунального обслуживания избыточная энергия возвращается в сеть, в то время как потребность в нагрузке может подаваться из сети, когда солнце недоступно.

Что касается автономной системы без накопителя, даже если солнце имеет более чем достаточно энергии в течение дня, система не может использовать эту избыточную энергию для питания нагрузок, когда солнце недоступно.

С появлением аккумуляторов избыточная энергия солнца в течение дня может храниться в аккумуляторе, а затем использоваться позже для удовлетворения потребности в нагрузке, когда солнце недоступно. Это представлено в выделенных областях A1 и A2 на Рисунке 3.5 ниже для избыточной солнечной энергии и вечерней нагрузки соответственно.

Идеальное совпадение происходит, когда площадь A1 равна площади A2, и это может быть достигнуто путем точного выбора размера солнечной фотоэлектрической системы для удовлетворения среднесуточной потребности в энергии нагрузки.Кроме того, избыточная солнечная энергия может храниться с помощью аккумуляторных систем.

Рис. 3.5: Избыточная солнечная энергия выделена (зеленый) и дневная нагрузка выделена (красный) для State College, PA.

Кредит: разработан с использованием SAM

.

Таким образом, мы рассмотрели различные типы аккумуляторных технологий и обсудили, почему свинцово-кислотные аккумуляторы являются предпочтительным выбором для большинства современных фотоэлектрических систем. Подробнее о параметрах батареи мы поговорим в следующей теме. Мы также увидим, что управление параметрами батареи само по себе представляет собой совершенно новую задачу оптимизации.

Как работает накопитель на солнечной батарее

Идея создания энергонезависимого дома весьма заманчива для любого домовладельца. Он имеет множество преимуществ, главное из которых заключается в том, что на вас не повлияют колебания тарифов на коммунальные услуги. Кроме того, вы будете продвигать кампанию «зеленой энергии», которая в настоящее время рекомендуется как способ защиты окружающей среды. К счастью, это осуществимая мечта, учитывая стремительный прогресс в области хранения энергии. Все, что вам нужно, это набор солнечных батарей или поставщик солнечной энергии, а также резервный аккумулятор, чтобы удовлетворить ваши потребности.

Солнечные батареи являются неотъемлемой частью этой установки, поскольку они обеспечивают непрерывную подачу электроэнергии в случае выхода из строя сети. В этой статье, казалось бы, сложная работа этих запоминающих устройств, разделена на несколько простых для понимания шагов. Обсуждение будет вращаться вокруг батареи, которая уже соединена с солнечной системой, а не автономной солнечной батареи.

Питание солнечной энергией

Когда солнечные лучи попадают на панели, видимый свет преобразуется в электрическую энергию.Электрический ток течет в батарею и сохраняется как электричество постоянного тока. Стоит отметить, что существует два типа солнечных батарей: связанные по переменному току и по постоянному току. Последний имеет встроенный инвертор, который может преобразовывать электрический ток в постоянный или переменный ток. Таким образом, солнечное электричество постоянного тока будет поступать от панелей к внешнему инвертору, который преобразует его в энергию переменного тока, которая может использоваться вашей бытовой техникой или храниться в батарее переменного тока. В этом случае встроенный инвертор будет преобразовывать электричество переменного тока обратно в постоянный ток для хранения.

Что касается системы со связью по постоянному току, аккумулятор не имеет встроенного инвертора. Таким образом, электричество постоянного тока от солнечных панелей поступает в батарею через контроллер заряда. В отличие от сети переменного тока, инвертор мощности в этой системе подключается только к домашней проводке. Таким образом, электричество от солнечных панелей или аккумуляторной батареи преобразуется из постоянного тока в переменный, прежде чем подавать на бытовые приборы. От чего зависит, сколько энергии хранится в аккумуляторе? Читай дальше, чтобы узнать больше.

Процесс зарядки

Поскольку энергия поступает от солнечных панелей, электроснабжение вашего дома будет иметь приоритет. Таким образом, электричество напрямую питает ваши приборы, такие как холодильники, телевизоры и лампы. Часто этой энергии от солнечных батарей может быть больше, чем вам нужно. Например, в жаркий полдень вырабатывается много энергии, но ваш дом ее не использует. В таком сценарии происходит чистое измерение, при котором дополнительная энергия возвращается в сеть. Однако вы можете использовать этот перелив для зарядки батарей.

Количество электроэнергии, хранящейся в аккумуляторе, зависит от того, как быстро он заряжается. Если, например, ваш дом не потребляет слишком много энергии, процесс зарядки будет быстрым. Кроме того, если вы подключены к огромным панелям, в ваш дом будет поступать много электроэнергии, а это значит, что батареи будут заряжаться намного быстрее. Как только ваша батарея будет полностью заряжена, контроллер заряда предотвратит ее перезарядку.

Если вы активно стремитесь к чистой и бесплатной энергии, но у вас нет достаточно денег, чтобы инвестировать в солнечные батареи, вам обязательно стоит подумать о покупке солнечного генератора.

Зачем вам солнечная батарея?

1. Чтобы защитить вас от перебоев в электроснабжении

Если вы подключены к сети, всегда будет несколько моментов, когда система передачи данных выйдет из строя или будет отключена для обслуживания. Как только это произойдет, система изолирует ваш дом от сети и активирует резервный источник. В этом случае аккумулятор будет работать как резервный генератор.

2. Тарифный план по времени использования

По этим тарифам с вас будет взиматься плата в зависимости от количества потребляемой электроэнергии, а также времени, в течение которого вы ее используете.TOU заявляет, что энергия, потребляемая из сети в ночное время, более ценна, чем дополнительная энергия, производимая в течение дня. Таким образом, накапливая дополнительную энергию и используя ее в ночное время, вы снижаете общие затраты на электроэнергию в своем доме.

Правительства по всему миру признают преимущества солнечных батарей. Настолько, что они предлагают домовладельцам скидки, чтобы помочь с первоначальной стоимостью покупки солнечной батареи. Эти скидки на солнечные батареи становятся все более популярными и являются признаком огромных преимуществ, которые батареи предоставляют домовладельцам и всему миру.Скидки на солнечные батареи помогают продвигать внедрение систем солнечной энергии во многих странах.

Заключительное слово

В связи с тем, что в мире используется «зеленая энергия», солнечные панели постепенно заменяют традиционные источники электроэнергии. Солнечные батареи играют решающую роль в обеспечении надежного электроснабжения в вашем доме. Аккумуляторные батареи с парами переменного тока имеют встроенный инвертор, который преобразует электрический ток в постоянный или переменный, в зависимости от направления.

С другой стороны, аккумуляторная батарея постоянного тока не имеет этой функции.Обе батареи, однако, накапливают электрическую энергию в постоянном токе независимо от настройки. Скорость, с которой электричество сохраняется в батареях, зависит от размера панелей и количества, используемого вашей бытовой техникой.

Нравится:

Нравится Загрузка ...

Связанные

О Салмане Зафар

Салман Зафар - генеральный директор BioEnergy Consult, а также международный консультант, советник и инструктор, обладающий опытом в области управления отходами, энергии биомассы, преобразования отходов в энергию, защиты окружающей среды и сохранения ресурсов.Его географические области деятельности включают Азию, Африку и Ближний Восток. Салман успешно выполнил широкий спектр проектов в области биогазовой технологии, энергии биомассы, преобразования отходов в энергию, рециркуляции и управления отходами. Салман принимал участие в многочисленных национальных и международных конференциях по всему миру. Он - плодовитый экологический журналист, автор более 300 статей в известных журналах, журналах и на веб-сайтах. Кроме того, он активно участвует в распространении информации о возобновляемых источниках энергии, управлении отходами и экологической устойчивости через свои блоги и порталы.С Салманом можно связаться по электронной почте [email protected] или [email protected]

Как работают солнечные панели и солнечная электроэнергия | ОРЕЛ

Солнечное электричество окружает нас повсюду, от карманных калькуляторов на солнечных батареях до спутников и домов, привязанных к солнечным панелям. Вы даже можете увидеть солнечную энергию по пути на работу, когда будете проезжать мимо дорожных знаков аварийной службы, телефонных будок или измерителей скорости. Этот «бесплатный» источник энергии в значительной степени покрывает наши современные потребности в электроэнергии и, в конечном итоге, прокладывает путь к устойчивой энергетике будущего.Но будет ли этого достаточно, чтобы избавиться от ископаемого топлива? Время покажет. Итак, как именно работают солнечное электричество и солнечные панели? Нет переключателя, иногда даже батареи для зарядки. Мы просто зависим от этого гигантского газового шара в небе (Солнце), чтобы обеспечивать наши потребности в этом мире.

Солнечная энергия в действии

Солнечная электроэнергия на самом деле не новость. В 1839 году французский ученый Александр Эдмон Беккерель обнаружил, что такой материал, как металл, при воздействии солнечного света может испускать электрические искры.Этот эксперимент проложил путь исследованиям других ученых, таких как Альберт Эйнштейн, который позже назвал этот процесс фотоэлектрическим эффектом .

Фотоэлектрический эффект возникает, когда электроны выбрасываются с поверхности твердого материала, такого как металл, под воздействием солнечного света. Любой материал, который реагирует на это воздействие солнечного света, считается фотоэмиссионным материалом , а выбрасываемые электроны называются фотоэлектронами . Но пусть термины вас не сбивают с толку; На самом деле электрон, испускаемый под воздействием солнечного света, ничем не отличается от электрона, который летает по цепи от батареи или прямого источника энергии.Все они выполняют одну и ту же работу и остаются идентичными по массе, заряду, вращению и магнитному движению.

Электроны выбрасываются из материала в зависимости от типа электромагнитного излучения. (Источник изображения)

С фотоэлектрическим эффектом, высеченным в камне Эйнштейном, мир вскоре обратился к созданию первых фотоэлектрических (ФЭ) элементов из селена. Это было только начало, и в 1950-х годах Bell Labs разработала фотоэлемент, достойный удовлетворения сегодняшних потребностей в солнечной энергии с помощью кремния.Этот первый кремниевый фотоэлемент достиг колоссального четырехпроцентного преобразования энергии, но в то время изобретение было новаторским.

Реклама Bell labs 1954 года!

С 1950-х годов кремниевые фотоэлементы продолжали повышать эффективность, но принцип их работы в системе солнечных панелей остается в основном неизменным. Вот процесс на высоком уровне, прежде чем мы углубимся в детали.

  • Частицы света, называемые фотонами, сначала проникают в фотоэлемент, который передает свою энергию, теряя электроны.Эти электроны сбиваются со своей орбиты в атоме кремния.
  • Свободные электроны затем ищут путь наименьшего сопротивления к пустому отверстию в другом атоме, но, как и все другие методы управления электронами, мы сначала заставляем их выполнять некоторую работу, путешествуя по цепи.
  • Когда электроны покидают солнечную батарею в виде электрического тока, они проходят через проводной канал в инвертор. Это устройство преобразует то, что в настоящее время является стабильным постоянным током (DC), в переменный ток (AC), который может обеспечивать электроэнергией дома, предприятия, электростанции и даже электросети.
  • После того, как наши устройства и инфраструктура запитаны, электрический ток будет течь обратно через цепь солнечной системы, находя покой в ​​твердом контактном слое в нижней части панели солнечных батарей, создавая замкнутый контур цепи.

Здесь мы видим типичную солнечную панель , установленную в жилом доме. (Источник изображения)

Внутреннее устройство солнечных элементов

Каждая солнечная панель состоит из набора из отдельных солнечных элементов , и именно в этих элементах происходит вся магия по преобразованию световой энергии в солнечное электричество.Солнечные элементы обычно состоят из двух внутренних слоев полупроводниковых пластин. Возможно, вы слышали об этом материале, поскольку в настоящее время они используются в микропроцессоре вашего компьютера и в интегральных схемах (ИС), которые вы можете использовать на печатной плате (PCB).

По сравнению с другими материалами, которые позволяют электричеству легко проходить через них (проводники) или не пропускать вообще (индукторы), кремний находится где-то посередине, не проводя полностью и не изолируя электричество. Отсюда и название полупроводник.

Кристалл кремния в первозданном виде, один из самых распространенных минералов в мире. (Источник изображения)

В чистом виде кремний обычно не проводит электричество, потому что 10 из его 14 электронов уже спарены. Однако внешняя оболочка кремния имеет только половину (4) количества электронов, которое ему нужно, и поэтому он стремится соединиться с другими соседними атомами, чтобы собрать оставшиеся электроны и найти баланс. Мы придумали способ воспользоваться этим дефицитом электронов, заставив кремний проводить электричество в процессе легирования.

Легирование - это процесс добавления вторичного атома в кристаллическую структуру кремния, который изменяет количество электронов в материале. Например, если вы добавите в кремний фосфор, который имеет пять электронов на внешней оболочке, у вас теперь есть девять электронов и один дополнительный электрон, которым можно манипулировать, чтобы освободиться и создать электрический ток. Когда электрон действительно вырывается из легированного кремния, он считается свободным носителем и будет стремиться искать пустое место для отдыха.

В солнечных элементах нижний слой кремния легирован бором, который придает кремнию положительный заряд, называемый кремнием n-типа. Верхний слой кремния легирован фосфором, который придает этому слою кремния отрицательный заряд, называемый кремнием p-типа. И когда вы соединяете эти два слоя кремния n-типа и p-типа, вы создаете соединение, называемое P-N переходом.

Здесь вы можете увидеть P-N переход в типичном солнечном элементе. (Источник изображения)

В этот момент электроны будут перемещаться, пытаясь устранить свой дисбаланс и в процессе создания электрического поля.Это поле действует как стандартные компоненты диода, позволяя электронам течь только от слоя p-типа к слою n-типа. Проблема в том, что в то время как электроны в слое p-типа могут попасть туда, куда им нужно, электроны n-типа блокируются P-N переходом. Что им делать?

Добавляя внешнюю схему поверх слоя n-типа в солнечном элементе, вы обеспечиваете путь для ваших электронов n-типа, чтобы добраться до желаемого места назначения в слое p-типа. Следуя по пути наименьшего сопротивления, электроны n-типа затем будут проходить через набор тонких проводов, вокруг полной цепи, чтобы обеспечить питание наших домов, и замыкая цепь, когда они собираются в слое p-типа.Этот обмен между кремнием n-типа и p-типа происходит снова и снова, когда световые фотоны выбивают электроны, и поэтому мы получаем постоянный поток тока от наших солнечных элементов.

Типы солнечных батарей

Отдельный солнечный элемент будет генерировать всего несколько ватт энергии, поэтому их нужно сгруппировать вместе, чтобы выполнять тяжелую работу. Когда вы группируете солнечные элементы вместе, чтобы сделать более крупный блок, вы создаете солнечный модуль . Затем эти модули можно снова объединить, чтобы сформировать единую солнечную панель .На крыше дома вы обычно найдете сотни солнечных элементов, упакованных в набор панелей. На более крупных солнечных фермах вы найдете тонны солнечных панелей, упакованных вместе на массивных металлических каркасах, и они образуют солнечных батарей для выработки тонны солнечной электроэнергии.

Будь то солнечная панель или солнечная батарея, солнечные элементы не существуют изолированно. Кремний - это материал с высокой отражающей способностью, и если мы подвергнем этот материал воздействию солнечного света, весь свет будет отражаться от него.Чтобы решить эту проблему, производители обычно наносят на кремний антибликовое покрытие, чтобы минимизировать любые потери при захвате световой энергии. Силикон с покрытием затем будет покрыт стеклянной крышкой, которая придает солнечному элементу типичный синий / черный непрозрачный цвет.

Независимо от того, сколько солнечных элементов вы упаковываете в панель, все они могут быть разбиты на один из трех типов:

Ячейки монокристаллические

Эти солнечные элементы сначала изготавливаются в виде длинных цилиндров из кремния, а затем нарезаются на тонкие пластины.Процесс изготовления монокристаллических ячеек очень точен и позволяет получать элементы с наивысшим показателем эффективности среди всех типов - 23%.

Ячейки поликристаллические

Эти солнечные элементы сначала изготавливаются из отливок расплавленного кремния, которые затем разрезаются на тонкие квадраты. Процесс производства поликристаллов недорогой по сравнению с монокристаллами, но также приводит к более низкой эффективности преобразования энергии примерно на 20%.

Моно (одиночные) и поликристаллические ячейки рядом.(Источник изображения)

Тонкопленочные солнечные элементы

Эти солнечные элементы почти в 100 раз тоньше монокристаллических или поликристаллических элементов, и вы можете найти их из альтернативных материалов, таких как теллурид кадмия (CdTe) или диселенид галлия-индия (CIGS). Благодаря своей легкости и гибкости, эти ячейки «второго поколения» могут быть применены к различным материалам основы, таким как металл, пластик или стекло. Однако это повышение гибкости также приводит к снижению эффективности примерно на 7–12%.

Тонкопленочные солнечные элементы добавили гибкости и легкости. (Источник изображения)

Проблемы эффективности

Здесь вы можете задаться вопросом - почему мы производим солнечные элементы, которые улавливают не более 20% доступного солнечного света? Даже теоретические максимумы эффективности солнечных элементов ограничивают их до 30% в соответствии с пределом Шокли-Кайссера . В чем проблема?

Солнечный свет производит не только один вид фотонов.Если вы когда-нибудь видели электромагнитный спектр, значит, вы знаете, что на самом деле свет бывает многих разновидностей, многие из которых невидимы. Все эти спектры света основаны на определенной частоте и длине волны.

Солнечный свет производит множество фотонов, только небольшую часть из которых мы можем видеть. (Источник изображения)

Кремний оптимизирован только для захвата фотонов определенной полосы частот. Например, некоторые фотоны, попадающие в кремниевый элемент, не обладают достаточной энергией, чтобы выбить электроны.Другие фотоны могут иметь слишком много энергии и выбивать электрон из строя, но любая избыточная энергия тратится в этом процессе. Существует только точное количество энергии фотона, измеряемое в электрон-вольтах (эВ), которое требуется, чтобы выбить электрон из строя. Для кремния достаточно 1,1 эВ. Любая энергия фотона выше и ниже этого порога в конечном итоге превращается в потерянный потенциал.

Материалы имеют определенную ширину запрещенной зоны, в которой они могут поглощать световую энергию. (Источник изображения)

Частотный диапазон фотонов - не единственная проблема, влияющая на эффективность использования солнечной энергии.Также существует проблема того, как далеко электроны должны пройти внутри солнечной панели, пока не достигнут своего намеченного пункта назначения. Поскольку кремний является полупроводником, любой электрон, движущийся по нему, встретит довольно высокое сопротивление. Чем дальше вы размещаете клеммные контакты от кремниевого материала на панели, тем дальше должны перемещаться ваши электроны и, следовательно, большее сопротивление. Любой информированный разработчик электроники знает, что чем выше сопротивление, тем больше энергии вы теряете.

Чтобы свести к минимуму эти потери, солнечные элементы обычно покрывают металлической сеткой, которая сокращает расстояние, которое им необходимо преодолеть до оконечного соединения.Некоторые производители также складывают солнечные элементы, сделанные из различных материалов, каждый из которых имеет различную ширину запрещенной зоны . Этот набор из нескольких материалов позволяет поглощать больше частот фотонов, что увеличивает общую эффективность солнечного элемента.

Взвешивание плюсов и минусов солнечной энергии

Стоит ли солнечная технология? Когда на солнечную энергию полагаются как на единственное средство производства энергии, она по-прежнему создает множество проблем. Однако при использовании в сочетании с другими источниками электричества вы найдете солнечные лучи в лучшем виде.

Солнечная энергия по-прежнему используется даже в облачных местах. (Источник изображения)

Плюсы

Возьмем, к примеру, способность солнечных панелей вырабатывать электричество по мере необходимости в непосредственной близости от них. Дом, оборудованный солнечными батареями на крыше, будет производить электричество именно там, где это необходимо. Это может помочь коммунальным предприятиям избежать чрезмерного спроса и нагрузки на свои системы распределения и передачи, позволяя домам или предприятиям получать электроэнергию на месте с помощью солнечных батарей.

В жаркий летний день, когда все работают на полную мощность, солнечные батареи обеспечивают идеальный энергетический баланс. Ваши непосредственные потребности в энергии удовлетворяются за счет солнечных батарей, что снижает нагрузку на системы передачи из сети. Все это приводит к меньшему количеству отключений и, в конечном итоге, к тому, что система меньше зависит от единой точки отказа для обеспечения мира.

Солнечная энергия является модульной технологией. В ситуации, когда одна солнечная панель повреждена, остальная часть системы может продолжать работать.Это контрастирует с чем-то вроде атомной электростанции, которая может выйти из строя, если одна из систем перестанет работать.

Минусы

Есть также некоторые проблемы для солнечных технологий. Например, когда дом не потребляет всю энергию, вырабатываемую солнечной батареей, эта энергия обычно возвращается в сеть через «питающие» линии. Внедрение этих линий может быть дорогостоящим расходом для коммунальных предприятий, поскольку использование солнечной энергии в будущем будет расширяться.

Существует также проблема того, как солнечная энергия передается пользователям.В то время как солнечные панели в доме обеспечивают энергию там, где она необходима, существуют также огромные солнечные фермы, которым приходится передавать всю вырабатываемую электроэнергию по линиям электропередачи. Как и любой материал, по которому проходит ток, в процессе передачи всегда есть потеря энергии в виде тепла, которое невозможно восстановить.

Последняя серьезная проблема заключается просто в том, что солнечный свет не является постоянной переменной, которая может включаться и выключаться по нашему выбору. В пасмурную погоду производство энергии от солнечных батарей резко падает.Из-за этого многие коммунальные предприятия используют солнечную энергию в сочетании с другими источниками энергии, чтобы сбалансировать ежедневные потребности.

Будущее солнечной техники

Прогуляйтесь по любому району Соединенных Штатов, и вы обязательно увидите, что из года в год используется все больше солнечных батарей. Только за последние десять лет цена на солнечную технологию упала более чем на 60%, что сделало эту некогда дорогостоящую технологию доступной для средних домашних хозяйств и предприятий.

Но как насчет достижений в области солнечной эффективности? В настоящее время ведется все больше исследований и разработок, направленных на создание более эффективных солнечных технологий.Один из них - перовскитовый солнечный элемент . На нынешнем этапе перовскитный элемент оказывается дешевле кремниевого элемента, но при этом столь же эффективен. Этот материал изготовлен из кристаллической структуры оксида титана кальция и может производиться при комнатной температуре гораздо более простыми методами, чем требует кремний.

Перовскитные элементы представляют собой новую экономичную альтернативу кремниевым элементам. (Источник изображения)

Заменит ли этот материал полностью кремниевые элементы? Скорее всего, не.Вместо этого компании ищут способы объединить перовскит и кремний в одной ячейке. Таким образом, оба материала смогут захватывать фотоны на разных длинах волн, что увеличивает общую эффективность ячейки.

Исследователи говорят, что до появления перовскита, готового к использованию в прайм-тайм, еще не прошло 5-10 лет, но первые эксперименты выглядят многообещающими с эффективностью 20%, что соответствует кремнию. Но сможет ли перовскит когда-нибудь сместить кремний с лидирующей позиции в отрасли? Если это цель, будет тяжелая битва.

Может ли солнечная энергия спасти мир?

Можем ли мы полагаться только на солнечную энергию, чтобы обеспечить мир устойчивым источником энергии? Есть множество переменных, которые нуждаются в улучшении, например повышение эффективности и постоянное развитие инфраструктуры. Мы думаем, что в будущем может появиться реальность, в которой солнечная энергия станет лишь одним маленьким кусочком более крупной загадки устойчивой энергетики.

Это увлекательно узнать, как даже солнечные элементы полагаются на основы электричества, чтобы творить чудеса.Все начинается с кремниевых полупроводников, которые взаимодействуют с фотонами солнечного света и генерируют полезный электрический ток. Отсюда мы можем использовать основные принципы схем, как и во всех наших электронных устройствах, для питания наших домов, предприятий и образа жизни.

Есть отличная идея для проекта электроники на солнечных батареях? Подпишитесь на Autodesk EAGLE сегодня!

Принцип работы, типы, преимущества и недостатки

В любой солнечной системе инвертор играет важную роль, как мозг.Основная функция этого - преобразование мощности постоянного тока в мощность переменного тока, вырабатываемую солнечной батареей. Это позволяет контролировать систему, чтобы операторы этой системы могли наблюдать, как эта система работает. Если вы рассматриваете установку солнечных панелей для своего дома, одно из ключевых решений, которые вы принимаете, - это тип инвертора, который нужно установить. Инверторы преобразуют энергию постоянного тока (DC), вырабатываемую солнечными панелями, в полезную энергию переменного тока (AC). После самих панелей инверторы являются самым важным оборудованием в солнечной энергетической системе.Инвертор предоставляет аналитическую информацию, чтобы помочь в определении операций и обслуживания для устранения проблем в системе. В этой статье обсуждается обзор солнечной системы.

Что такое солнечный инвертор?

Определение: Солнечный инвертор можно определить как электрический преобразователь, который преобразует неравномерный постоянный ток на выходе солнечной панели в переменный ток. Этот ток можно использовать в различных приложениях, например, в жизнеспособной электрической сети или в автономной электрической сети.В фотоэлектрической системе это опасный компонент BOS (баланс системы), который позволяет использовать обычное оборудование с питанием от переменного тока. Эти инверторы имеют некоторые функции с фотоэлектрическими массивами, такие как отслеживание максимальной точки PowerPoint и защита от изолирования. Если мы используем солнечную систему для дома, выбор и установка инвертора важны. Итак, инвертор - незаменимое устройство в солнечной энергетической системе.


солнечный инвертор

Солнечный инвертор и он работает

Принцип работы инвертора заключается в использовании энергии от источника постоянного тока, такого как солнечная панель, и преобразования ее в мощность переменного тока.Диапазон генерируемой мощности будет от 250 В до 600 В. Этот процесс преобразования может быть выполнен с помощью набора IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором). Когда эти твердотельные устройства соединены в виде H-моста, он переходит от постоянного тока к переменному току.

Работает с солнечным инвертором

Используется повышающий трансформатор, так что мощность переменного тока может быть получена и может быть подана в сеть. Некоторые конструкторы начали разрабатывать инверторы без трансформатора, которые имеют более высокий КПД по сравнению с инверторами с трансформатором.

В любой солнечной инверторной системе предварительно запрограммированный микроконтроллер используется для точного выполнения различных алгоритмов. Этот контроллер увеличивает выходную мощность солнечной панели с помощью алгоритма MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Типы солнечных инверторов

Классификация солнечных инверторов может быть сделана на основе приложения, которое включает следующее.


типов солнечных инверторов

Струнный инвертор

Этот вид солнечных панелей выполнен в виде струны, и многие струны соединены с однопроводным инвертором.Каждая струна содержит мощность постоянного тока, которая преобразуется в мощность переменного тока, используемую как электричество. В зависимости от размера установки у вас может быть много струнных инверторов, где каждая струна получает питание постоянного тока от некоторых струн. Эти инверторы хороши для установок, в которых панели расположены в одной плоскости, чтобы не смотреть в разные стороны.

Струнные инверторы также могут использоваться с оптимизаторами мощности, поскольку они представляют собой силовую электронику на уровне модуля, которая монтируется на уровне модуля, следовательно, она есть на каждой солнечной панели.Производители солнечных панелей используют оптимизаторы мощности со своими устройствами и продают их как единое решение, называемое интеллектуальным модулем, чтобы упростить установку. Оптимизаторы мощности, как и микроинверторы, дают много преимуществ, но они менее дороги. Таким образом, это может быть хорошим выбором среди использования инверторов, таких как строго струнные или микроинверторы.

Центральные инверторы

Они относятся к струнным инверторам, однако они больше и поддерживают дополнительные цепочки солнечных панелей.Вместо того, чтобы напрямую направлять цепочки в инвертор, цепочки объединяются в общий блок сумматора, так что мощность постоянного тока течет к среднему инвертору, где бы она ни преобразовывалась в мощность переменного тока. Эти инверторы не требуют подключения компонентов, однако для них нужна контактная площадка, а также блок сумматора, поскольку они подходят для крупных инсталляций за счет надежного производства по всему массиву.

Диапазон этих инверторов составляет от МВт до сотен кВт, и они выдерживают до 500 кВт для каждой области.Они не используются в домах, но обычно используются для крупных коммерческих установок и солнечных электростанций.

Микроинверторы

Эти инверторы - хороший выбор как для коммерческих, так и для жилых целей. Как и оптимизаторы мощности, это также электроника на уровне модулей, потому что по одному инвертору монтируется на каждой панели. Микроинверторы изменяют мощность с постоянного на переменный ток прямо на панели, поэтому им не нужен инвертор струнного типа.

Кроме того, из-за преобразования уровня панели, если характеристики панелей затемнены, то остаточные панели не будут видны.Эти инверторы контролируют работу каждой отдельной панели, тогда как инверторы цепочек иллюстрируют действие каждой цепочки, чтобы инверторы были хороши при установке. Использование этих инверторов дает много преимуществ, поскольку они оптимизируют каждую солнечную панель независимо. Он передает больше энергии, особенно если у вас неполная цветовая гамма.

Инвертор на батарейках

Рост числа инверторов на батарейках увеличивается день ото дня. Они однонаправленные и включают в себя как инвертор, так и зарядное устройство.Это можно сделать с помощью аккумулятора. Эти инверторы являются отдельными подключенными к сети, интерактивными и автономными в соответствии с конструкцией и рейтингом UL. Основное преимущество этого заключается в том, что они обеспечивают бесперебойную работу при критических нагрузках в зависимости от состояния сети. Во всех случаях эти инверторы управляют питанием между сетью и массивом во время зарядки аккумуляторов, а также контролируют состояние аккумулятора и контролируют, как они заряжаются.

Гибридный инвертор

Этот инвертор также известен как многорежимный инвертор и позволяет подключать батареи к солнечной энергетической системе.Он связывает аккумулятор с помощью метода, известного как связь по постоянному току. Электроника управляет зарядкой и разрядкой аккумулятора. Так что выбор этих инверторов весьма неполный.

Преимущества солнечного инвертора

Основные преимущества солнечного инвертора включают следующее.

  • Солнечная энергия снижает парниковый эффект, а также снижает аномальные погодные условия.
  • Используя солнечные батареи, мы можем сэкономить деньги за счет снижения счетов за электроэнергию.
  • Солнечный инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный, и это надежный источник энергии.
  • Эти инверторы расширяют возможности малого бизнеса, снижая их потребности в энергии и требованиях.
  • Это многофункциональные устройства, поскольку они предварительно запрограммированы на преобразование постоянного тока в переменный, что помогает крупным потребителям энергии.
  • Прост в установке и более разумный по сравнению с генераторами.
  • Обслуживание простое, поскольку они хорошо работают даже при обычном обслуживании.

Недостатки солнечного инвертора

  • К основным недостаткам солнечного инвертора можно отнести следующие.
  • Такие инверторы дорогие.
  • Солнечный свет необходим для выработки достаточного количества электроэнергии.
  • Требуется огромное пространство для установки.
  • Для работы в ночное время требуется аккумулятор, чтобы обеспечить надлежащее электричество для дома, коммерческого и т. Д.
Часто задаваемые вопросы

1). Как долго должен работать солнечный инвертор?

Срок службы солнечного инвертора составляет от 10 до 20 лет

2). Солнечные панели переменного или постоянного тока?

Панели солнечных батарей генерируют постоянный ток

3).Могу ли я использовать солнечную батарею без батареи?

Да не нужно каждому

4). Как сбросить солнечный инвертор?

Путем включения и выключения инвертора на 30 минут

5). Чем лучше всего чистить солнечные панели?

Лучше всего очистить солнечные панели с помощью трубки и ведра с мыльной водой.

Итак, это все о работе солнечного инвертора. Это электрическое устройство, используемое для преобразования постоянного тока в переменный, где постоянный ток генерируется солнечной панелью.Он контролирует напряжение солнечной системы для достижения максимальной доступной мощности, известной как MPPT (отслеживание точки максимальной мощности). Таким образом, этот MPPT сообщает о работе и производительности системы с помощью встроенной функции, такой как Bluetooth, экран или Интернет. Вот вам вопрос, каковы области применения солнечного инвертора?

Как работает солнечная энергия - сетевые, автономные и гибридные системы - Clean Energy Reviews

В сетевой системе это происходит после того, как электричество достигает распределительного щита:

  • Счетчик . Избыточная солнечная энергия проходит через счетчик, который подсчитывает, сколько энергии вы экспортируете или импортируете (покупаете).

  • Дозирующие системы работают по-разному во многих штатах и ​​странах по всему миру. В этом описании я предполагаю, что счетчик измеряет только электроэнергию, экспортируемую в сеть, как это имеет место в большей части Австралии. В некоторых штатах счетчики измеряют всю солнечную электроэнергию, производимую вашей системой, и поэтому ваше электричество будет проходить через счетчик до того, как достигнет распределительного щита, а не после него.В некоторых районах (в настоящее время в Калифорнии) счетчик измеряет как производство, так и экспорт, и с потребителя взимается плата (или в кредит) за чистую электроэнергию, использованную в течение месяца или года. Я объясню больше об измерении в следующем блоге.

  • Электросеть . Электроэнергия, которая отправляется в сеть из вашей солнечной системы, может затем использоваться другими потребителями в сети (вашими соседями). Когда ваша солнечная система не работает или вы потребляете больше электроэнергии, чем производит ваша система, вы начнете импортировать или потреблять электроэнергию из сети.

Автономная система не подключена к электросети и поэтому требует аккумуляторов. Автономные солнечные системы должны быть спроектированы таким образом, чтобы они вырабатывали достаточно энергии в течение года и имели достаточную емкость батареи для удовлетворения потребностей дома даже в разгар зимы, когда обычно гораздо меньше солнечного света.

Высокая стоимость батарей и автономных инверторов означает, что автономные системы на намного дороже , чем сетевые системы, и поэтому обычно требуются только в более удаленных районах, удаленных от электросети.Однако стоимость батарей быстро снижается, поэтому в настоящее время растет рынок автономных солнечных батарей даже в больших и малых городах.

Узнайте больше о выборе лучшей автономной солнечной системы здесь

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *