Мы часто пишем про различные виды альтернативной энергетики, в том числе про солнечную. Этой статьей начинается цикл статей про принципы работы различных устройств работающих на возобновляемой энергии. И первое что будет рассмотрено - солнечные батареи. Солнечная энергия в последнее время используется повсюду: в естественном освещении помещений, нагрева воды, сушки и иногда даже в приготовлении пищи. Однако самым важным использованием энергии солнца является, пожалуй, генерация электричества. И главный элемент такой генерации - солнечная батарея!
Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.
Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы.
Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода - p-слой (дырочная проводимость).
Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» - атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются.
На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.
Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).
Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты - около 1% КПД.
Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Компания нуждалась в источнике электроэнергии для телефонных станцией, и, можно сказать, была первой компанией, которая использовала альтернативный источник на солнечной энергии.
Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) - второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема - его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.
Однако разность потенциалов, создаваемая одним фотоэлементов, мала для промышленного применения. Чтобы иметь возможность использовать солнечные элементы для электропитания устройств, их соединяют вместе. Тем самым получаются солнечные батарей (солнечные сборки, солнечные модули). Кроме того, фотоэлементы покрывают различными защитными слоями из стекла, пластмассы, различных пленок. Это делают для того, чтобы защитить хрупкий элемент.
Основной рабочей характеристикой солнечной батареи является пиковая мощность, которую выражают в Ваттах (Вт, W). Эта характеристика показывает выходную мощность батареи в оптимальных условиях: солнечном излучении 1 кВт/м 2 , температуре окружающей среды 25 o C, солнечном спектре шириной 45 o (АМ1,5). В обычных условиях достичь таких показателей удается крайне редко, освещенность ниже, а модуль нагревается выше (до 60-70 градусов).
Соединяя фотоэлементы последовательно мы повышаем разность потенциалов, соединяя параллельно - ток. Таким образом комбинируя соединения можно добиться требуемых параметров по току и напряжению, а следовательно и по мощности. Кроме того, последовательно или параллельно можно соединять не только фотоэлементы в рамках одной солнечной батареи, но и солнечные батареи в целом.
Во все времена человечество стремилось использовать по максимуму блага предоставленные природой. Доказательство тому изобретённые солнечные батареи. Принцип работы солнечных батарей достаточно прост. Именно благодаря им ранее наши калькуляторы работали в любое время суток, летом и зимой, вне зависимости от вида и частой смены батарейки. Современный мир характеризуется применением солнечной энергии в разных сферах и масштабах, начиная от актуальных планшетов и заканчивая самолётами. О том, как устроена солнечная батарея, её виды и принцип работы Вас проинформирует данная статья.
Как известно, солнечная батарея является не первым изобретением, использующим всеохватывающую энергию Солнца в качестве альтернативы электрической энергии. Первые попытки применения солнечного света — терминальные электростанции, которые имеют более распространённое название как «коллекторы». Принцип их действия заключался в нагревании воды до 100 ° С при помощи солнечных лучей, итогом чего становилась выработка электричества. Работа коллекторов состояла из многоступенчатой трансформации энергии: скопление солнечных лучей, кипячение жидкости, образование пара, движение парового двигателя и преобразование тепловой энергии в механическую.
В отличие от коллектора солнечная батарея напрямую трансформируют продукцию Солнца в электрическую энергию. Также следует отметить такую особенность солнечной батареи, как использование света, а не тепла, что позволяет образовывать электроэнергию даже зимой.
На сегодняшний день принцип работы этих приспособлений основывается на преобразовании действия лучей в электрический ток (фотоэлектрический эффект) при помощи специальных полупроводников, которые и составляют всю батарею.
Первооткрывателями фотоэлектрического эффекта являются три заслуженных учёных физика. Само явление такового процесса описал физик французского происхождения — Александр Эдмон Беккерель в 1839 году. Далее в 1873 году был открыт первый полупроводник для осуществления действия фотоэлектрического эффекта английским инженером-электриком Уиллоуби Смит. А более подробно были описаны принцип работы, схема солнечной батареи и подтверждены законы предыдущих открывателей в 1905 году всемирно известным лауреатом Нобелевской премии Альбертом Эйнштейном.
Устройство солнечной батареи состоит из пластины, оснащённой цепочкой соединённых полупроводников (фотоэлементов). Фотоэлементы выполняют функцию преобразования солнечного света в электрический ток. Поэтому для того, чтобы понять принцип действия данного приспособления, следует изучить его основы, а именно фотоэлементы.
Фотоэлементы – полупроводники, трансформирующие действие квантов электромагнитного излучения, способных двигаться лишь со скоростью света, в электрическую энергию. Процесс данной трансформации называется фотоэлектрическим эффектом, появляющимся под воздействием солнечного света на структуры фотоэлемента. Особенность структуры заключается в неоднородности, которую создают при помощи сплавов различных материалов и примесей для изменения её свойств с точки зрения физики и химии.
Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.
Эти самые примеси создают отрицательные и положительные переходы (р- n), которые являются основой работы двух полупроводников и проводимости между ними. Помимо этого метода, образующего неоднородность структуры фотоэлементов, применяются также такие:
Трансформация энергии напрямую зависит от физических и электрических свойств структуры и электрической проводимости полупроводников (фотопроводимость). Фотоэлемент состоит из разного типа электронов и слоёв их. В качестве электрода, на котором возникает заряд, выступает отрицательный тип, и соответственно, анодом (приёмником) этого заряда является положительный тип. Накопление солнечной энергии происходит таким образом: выходящие из отрицательного слоя под воздействием солнечных лучей, электроны принимают аноды. Выходя из слоя положительных электронов, они возвращаются в исходное место. Далее действия повторяются. Ввиду чего энергия Солнца остаётся внутри устройства.
В зависимости от материала и метода изготовления различают такие виды солнечных батарей: кремниевые и плёночные.
Кремневые батареи – приспособления, основным действующим материалом которых является кремний. Кремний характеризуется высокой производительностью сравнительно с другими материалами, используемыми для создания данных устройств, поэтому пользуется большим спросом. По своей структуре кремниевые устройства делятся на три подвида:
Плёночные устройства делятся на такие виды:
Схема подключения солнечных батарей заключается в расчете нагрузки и настройке контролёра заряда. Самую простую схему можно рассмотреть на примере садового фонаря. Такие садовые фонари постепенно обретают широкое распространение за счёт яркого освещения дорожек, газонов и приусадебных участков. Зимой свет садовых фонарей на солнечном питании отличается меньшей яркостью, чем в другую пору. Схема в данном случае состоит из светочувствительного элемента, накопительного аккумулятора, солнечной батареи.
На сегодняшний день ведутся разработки по производству масштабных полей солнечных батарей на территории Антарктики. Такие электростанции будут накапливать энергии в течение полугодового полярного дня, наступающего на северных территориях – в летнее время, а на юге – в зимнее. Солнечная энергия является достойной альтернативой электрическому току, поэтому спектр её применения широк. Батареи, работающие от солнечного света, используют даже для производства космических аппаратов.
В последнее время активно развиваются технологии получения альтернативной энергии. Это солнечные батареи (СБ), ветровые станции и ряд иных устройств. Особенно перспективными считаются СБ или так называемые фотоэлектрические панели, ведь с учетом почти вечной жизни солнца такая энергия является неисчерпаемой. Несмотря на их пока что сравнительно высокую стоимость, они обеспечивают получение бесплатной и экологически чистой энергии. Тем не менее, цены на СБ год из года снижаются, что свидетельствует о больших перспективах их повсеместного внедрения.
Солнечная батарея представляет систему полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток с применением принципа фотоэффекта.
1 — Контроллер
2 — Батарея
3 — Инвертор
4 — Модуль
5 — Электрооборудование
Если батарея, освещенная солнцем, замкнута на определенную нагрузку с сопротивлением R, то наблюдается появление электрического тока I. Его величина определяется сопротивлением нагрузки, интенсивностью освещения и качеством фотоэлектрического преобразователя. Мощность P, выделяемая в нагрузке определяется формулой P= I*U, где U показывает напряжение на зажимах батареи.
Стремление человечества к экологичности и отказу от нефти приведет к внедрению все больших энергосберегающих технологий. Это значит, что солнечные батареи будут использоваться повсеместно. А создание панелей с более высоким КПД позволит:
Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.
Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?
Основные принципы
Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.
Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.
Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.
Панель солнечной батареи
©depositphotos.com
Кремниевые полупроводники
Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.
Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.
Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.
У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.
Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.
Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.
Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.
Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).
Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».
Устройство солнечной батареи
Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.
Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.
Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.
Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.
К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.
Самое большое в мире судно на солнечных батареях PlanetSolar
©PlanetSolar/ Philip Plisson
Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.
Альтернативные источники энергии, преобразующие солнечный свет в электричество, становятся все более востребованными в быту и промышленности. Они используются в авиации, космических разработках, электронике, для создания экологически безопасного транспорта. Но самой перспективной считается отрасль энергообеспечения зданий: питание бытовых приборов и системы отопления дома, нагрев горячей воды. К преимуществам относят: независимость от времени года и коммунальных служб, возможность аккумулирования запаса энергии, надежность и долгий срок службы. Но для достижения максимального эффекта от применения важно знать принцип действия батарей и соблюдать условия их монтажа и эксплуатации.
Фотоэлектрические преобразователи или солнечные аккумулирующие батареи представляют собой пластину со свойствами полупроводника, вырабатывающую постоянный ток при попадании на нее световых лучей. Основой может быть кремний (наиболее распространенный вид) и его соединения с медью, галлием, кадмием, индием, амфорные, органические или химические фотоэлементы, полимерная пленка.
Каждый материал имеет свой коэффициент ФЭП солнечных лучей (от 5 до 30 %) и, как следствие - вырабатывает определенную мощность при равной интенсивности светового потока. Многое зависит от площади батареи, одиночный кристалл полупроводника производит незначительное количество энергии, в среднем для получения 0,15 кВт потребуется 1 м2 панели. Исключение составляют инновационные многослойные полимерные соединения (монокристаллы), их КПД достигает 30 %, но эта технология еще недоступна рядовому потребителю.
Помимо пластины, в схему солнечной батареи входят вспомогательные приборы (для передачи, распределения и аккумулирования энергии):
В зависимости от площади используются миниатюрные маломощные батареи (до 10 Вт) либо большие стационарные панели. Первые относятся к переносным (популярны для зарядки ноутбука, калькулятора, мобильных устройств). Вторые чаще служат для энергоснабжения и отопления дома, размещаются обычно на крыше. Так как мощность батарей полностью пропорциональна солнечной интенсивности, стало целесообразным размещать отслеживающие панели (изменяющие угол расположения, в зависимости от движения Солнца). Толщина вариантов из полупроводника незначительна (от 10 мкм до 10 см), но с учетом вспомогательных приборов модули весят больше, что учитывается при просчете нагрузки на стропила и поверхность крыши.
Принцип фотоэлектрического преобразования
Для того чтобы понять как работает солнечная батарея, следует вспомнить школьный курс физики. При попадании света на пластину из двух слоев полупроводников разной проводимости возникает эффект p-n перехода, электроны из катода покидают свои атомы и захватываются на уровне анода. При подключении в схему нагрузки (аккумулятора) они отдают свою положительно заряженную энергию и возвращаются в n-слой. Это явление более известно как «внешний фотоэффект», а двухслойная пластина как «фотоэлемент». Чаще всего применяется один и тот же материал: базовый полупроводник с определенным типом проводимости покрывается слоем с противоположным зарядом, но с высокой концентрацией легирующих примесей.
Этот принцип работы солнечных батарей неизменен с момента открытия эффекта; именно на границе зон осуществляется электронно-дырочный переход. При воздействии солнечных лучей в обоих направлениях проходит движение разнозаряженных частиц, при замыкании контура ФЭП они осуществляют работу на нагрузку. Для полноценной передачи (сбора и отвода электронов) используется контактная система (внешняя сторона батареи напоминает сетку или гребенку, а тыльная обычно сплошная). Чем выше площадь p-n перехода и коэффициент фотоэлектрического преобразования полупроводника, тем большую мощность производит устройство. Физическое явление и принцип работы не зависят от температуры воздуха, важна лишь интенсивность солнечного света. Как следствие, на величину КПД панели оказывают влияние погодные условия, климат, сезон, географическая широта.
Способы повысить эффективность батареи
Даже в средней полосе России установка солнечных аккумуляторов окупается за 3–5 лет, ведь лучи абсолютно бесплатны и доступны круглый год. Но для полноценного отопления дома в 100 м2 полезной площади потребуется около 30 м2 панелей. Для усиления принципа фотоэффекта рекомендуется провести следующие работы:
Полностью отказываться от внешнего энергоснабжения не стоит, даже современные комплексы не способны аккумулировать достаточное количество энергии для полноценного обеспечения здания при длительной непогоде. Лучше всего использовать их как часть комбинированной системы.
