Доступными словами принципы работы солнечных батарей
Почти 100% всей энергии, которую мы используем в повседневной жизни – это энергия солнца, так или иначе преобразованная. Уголь – это умершие растения, которые жили благодаря фотосинтезу, нефть – растения и животные, которые вымерли миллионы лет назад и росли за счет энергии солнца. Даже когда вы сжигаете дрова – вы даете выход солнечной энергии, которую в себя впитала древесина. По сути, любая тепловая электростанция преобразовывает аккумулированную в виде угля, нефти, газа и др. ископаемых солнечную энергию в электричество.
Солнечная батарея просто делает это напрямую, без участия «посредников». Электричество – наиболее удобная форма применения солнечной энергии. Весь быт человечества сейчас построен вокруг электричества, и цивилизацию без него очень сложно представить. Несмотря на то, что первые фотоэлементы появились более полувека назад, солнечная энергетика пока не нашла должного распространения. Почему? Об этом в конце статьи, а пока разберемся, как это все работает.
Все дело в кремнии
Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.
Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.
Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры)
Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.
«Сэндвич» из кремния и токопроводящих слоев
Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.
Структура атомов кремния
[sc name=img ]
Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:
- Кремний N-типа имеет избыток электронов
- Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)
Кремний Р и N типа
Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.
Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку.
Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р — сторону пластины.
После «освобождения» электрон стремится к проводнику
Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка 🙂 . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».
Работа фотоэлемента
[sc name=img ]
Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.
Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.
Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?
Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.
- Неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие и это тоже непостоянною. Солнечной энергии гораздо меньше в пасмурные дни и совсем нет ночью. И чтобы полностью рассчитывать на солнечную энергию, необходимы эффективные способы получения электричества для всех областей.
- КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
- Хранение. Самым слабым звеном в солнечной энергетике является отсутствие эффективного и дешевого способа сохранять полученную электроэнергию. Существующие аккумуляторные батареи тяжелы и значительно снижают эффективность и без того слабые показатели солнечной системы. В целом, хранить 10 тонн угля проще и удобнее, чем 46 мегаватт, выработанных этим же углем или солнцем.
- Инфраструктура. Для того, чтобы питать мегаполисы – площадей крыш этих городов будет недостаточно, чтобы удовлетворить все запросы, поэтому для внедрения солнечной энергетики нужно транспортировать энергию, а для этого необходимо строить новые энергетические объекты
Видео о том, как производят солнечные батареи.
В ролике подробно описывается процесс изготовления поликристаллических солнечных батарей, принцип их работы в системе солнечных электростанций, принцип работы контроллера заряда и инвертора.
Электрика в доме — масса справочной информации для проведения работ. ЖБИ — ЧТО ЭТО ТАКОЕ, ЗАЧЕМ ОНИ НУЖНЫ И СОВЕТЫ ПО РЕЗКЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА Загрязнения в теплообменниках Керамический дымоход: устойчивость к высоким градусам
Принцип работы солнечной батареи
Прежде, чем перейти к объяснению основных принципов получения электричества с помощью солнечных батарей, давайте кратко рассмотрим, что же такое электричество.
Все вещества во вселенной состоят из атомов, в состав которых входят протоны, нейтроны и электроны. В центре атома – ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов.
Ядро окружено отрицательно заряженными электронами, заряд которых равен заряду протонов, но противоположен ему по знаку. Количество совпадает с количеством протонов в ядре.
Равное соотношение противоположно заряженных частиц в ядре делает атом нейтральным и стабильным.
Когда на атом воздействует внешняя сила, равновесие между протонами и электронами нарушается. Эта внешняя сила вызывает потерю или присоединение электронов. Когда атом теряет электрон, он может свободно перемещаться. Именно это перемещение и называют электрическим током.
Что такое солнечное электричество?
Это образование свободных электронов при падении лучей солнца на поверхность полупроводникового материала, например, кремния.
Можно сказать, что это процесс преобразования энергии солнца в электрическую.
Как работает батарея? Полупроводники, такие как кремний, имеют свойство пропускать через себя электроток, когда на него попадают лучи солнца. Этот процесс также называют «фотоэлектрическим эффектом».
Когда фотоны (частицы, составляющие излучение солнца и имеющие определенную энергию) достигают поверхности полупроводника, его ячейки поглощают энергию фотона, которая переходит к электронам и заставляет их уходить со своих орбит, вызывая электрический ток — этот принцип лежит в основе солнечного электричества.
Множество полупроводниковых ячеек спаиваются между собой и заключаются в закаленное, хорошо пропускающее свет стекло. Это и есть солнечная батарея.
Солнечная панель – ключевой элемент электростанции, производящий электричество из света. Можно соединить любое количество батарей, чтобы получить желаемое количество электричества. Их можно установить в любом месте, благодаря чему мы имеем мобильный источник энергии.
Электрический ток, вырабатываемый солнечной панелью – это постоянный ток, однако большая часть устройств в доме потребляет переменный ток.
Именно поэтому требуется устройство, которое преобразовывает постоянный в переменный — инвертор.
С помощью системы из батарей и инвертора можно получить переменный ток подходящий для дома, чтобы пользоваться электроприборами, такими как вентилятор, освещение, телевизор, холодильник и т.д.
У солнечных панелей, в отличие от угля и углеводородного топлива, существует ряд значимых преимуществ:
- экологичность
- отсутствие вредных выбросов
- бесшумная работа
- практически не требуют обслуживания
- срок службы 20-25 лет
Как работает солнечная батарея
- Вы здесь:
- СКУД
- Студенты и преподаватели
- Образовательные ресурсы
- Средняя школа
- Химические вопросы
- вопросы
- Архив 2013-2014 гг.
- Как работает солнечная батарея
ChemMatters
- Меню
- Статьи
- вопросы
- Ресурсы для учителей
- О
- Подписаться
- Цифровой доступ
| инвертор.
comВ системе солнечной фотоэлектрической энергии солнечная энергия напрямую преобразуется в электричество. Это делает систему более удобной и компактной по сравнению с тепловыми методами преобразования солнечной энергии.
Технология солнечных батарей является самой быстроразвивающейся технологией производства электроэнергии в мире. Благодаря этому становятся доступными солнечные элементы с эффективностью преобразования более 40%.
Принцип работы солнечных панелей заключается в использовании фотоэлектрического эффекта, также известного как фотоэлектрический эффект. Фотогальванический эффект относится к явлению, когда объект генерирует электродвижущую силу из-за поглощения фотонов. Фотогальванический эффект возникает, когда солнечный свет или другой свет падает на PN-переход полупроводника. Фотогальванический эффект вызывает появление напряжения на обеих сторонах PN-перехода, которое называется фотогальваническим напряжением. При замыкании PN-перехода потечет ток.
Фотогальванические элементы также называют солнечными элементами. Это полупроводниковое устройство, использующее фотоэлектрический эффект для преобразования солнечного света в постоянный ток. Практически все солнечные элементы представляют собой фотодиоды, изготовленные из полупроводниковых материалов, таких как кремний.
Солнечные элементы работают в три этапа:
- Фотоны солнечного света попадают на солнечный элемент и поглощаются полупроводниковым материалом.
- Отрицательно заряженные электроны отделяются от своих атомов и начинают течь в одном направлении, создавая электрический ток.
- Типовой кремниевый солнечный элемент может генерировать напряжение до 0,5 В и ток до 6 А. Следовательно, его максимальная мощность составляет 3 Вт.
Поскольку выходная мощность одного солнечного элемента очень мала, большое количество солнечных элементов соединено друг с другом, образуя солнечный модуль, комбинация солнечных модулей называется панелью, а комбинация панелей называется солнечным модулем.
Когда солнечные элементы соединены последовательно, их напряжение увеличивается настолько, насколько число элементов соединено последовательно. Но ток остается прежним.
При параллельном соединении элементов напряжение остается постоянным, как и в одном элементе, но ток увеличивается. Батареи, модули или панели могут быть соединены параллельно только в том случае, если они имеют одинаковое напряжение.
Основные компоненты солнечной фотоэлектрической системыБлокировочный диод
Массив SPV подключен к аккумулятору. В солнечные часы панели вырабатывают электричество для зарядки аккумулятора. Но при отсутствии солнечного света или ночью ток будет пытаться течь в обратном направлении, т.е. от ячейки к массиву. Это может повредить массив. Поэтому, чтобы избежать этого обратного протекания тока, используются блокировочные диоды.
Стабилизатор
Выходное напряжение фотогальванических панелей зависит от интенсивности солнечного света. Это вызывает колебания тока нагрузки. Регулятор напряжения гарантирует, что колебания напряжения удерживаются в заданных пределах.
Инвертор
Поскольку электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрической батареей, представляет собой постоянный ток, инвертор используется для преобразования его в переменный ток, чтобы мы могли легко его использовать. Инверторные блоки, установленные с различными защитными устройствами, обеспечивают безопасность системы и автоматически переключают нагрузку и доступную мощность.
Аккумулятор
Используются для хранения солнечной энергии. Они являются наиболее важными компонентами солнечной фотоэлектрической системы. Успех солнечной фотоэлектрической системы во многом зависит от системы хранения батарей.
Контроллер батареи
Это устройства, обеспечивающие правильную зарядку батареи.
Они контролируют зарядный ток и защищают аккумулятор от перезаряда. Это делается путем постоянного контроля тока батареи, напряжения и температуры.
Типы солнечных фотоэлектрических систем
Автономная система
В этой системе питание подается на нагрузку без использования какой-либо общественной сети или подключения к какой-либо другой системе, и она может работать автономно и независимо. Он используется для резервного питания, подключение которого к сети очень дорого. Его можно использовать для питания нагрузки постоянного тока или для питания нагрузки переменного тока с помощью инвертора.
Существуют различные типы автономных систем. Но чаще всего используются гибридные автономные системы. В гибридной автономной системе помимо фотоэлектрических панелей используется один или несколько источников. Такие источники, как генераторы, топливные элементы, мощность переменного тока, можно использовать вместе с фотоэлектрическими батареями.
