• 24.11.2019

Принцип солнечной батареи: Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Содержание

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

Содержание статьи:

Солнечные батареи: терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Галерея изображений

Фото из

Установка из солнечных панелей позволяет рационально использовать бесплатную, к тому же неисчерпаемую энергию солнечных лучей

Миниатюрные электростанции, собранные из солнечных батарей, обеспечат энергией неэлектрифицированные объекты и дома, расположенные в регионах с перебоями в поставке электричества

Установки, перерабатывающие УФ излучение в электроэнергию, занимают минимум места. их располагают на крышах домов, хозпостроек, гаражей, беседок, веранд. Реже их располагают на открытых, не занятых постройками и насаждениями площадках

Солнечные батареи — незаменимое оборудование для любителей путешествий. Оно обеспечит энергией вдали от источников электропитания

Использование солнечной энергии предоставит возможность существенно сократить затраты на содержание дач и загородных домов. собрать и установить экономически полезную систему без затруднений можно собственными руками

Расположенные на корме яхты, палубе корабля или носу катера солнечные батареи обеспечат электроэнергией, благодаря которой можно поддерживать стабильную связь с берегом

Портативная солнечная панель с аккумулятором исключит возникновение экстремальных ситуаций вдали от населенных пунктов, гарантирует зарядку мобильных устройств для общения с близкими

Выпускаемые специально для походов легкие компактные зарядные устройства на основе солнечных батарей обеспечат энергией телефоны, рации, планшеты и медиа-технику

Рациональное использование природных ресурсов

Обеспечение энергией неэлектрифицированных объектов

Монтаж солнечных панелей на крыше

Мобильная солнечная батарея в кемпинге

Самостоятельный монтаж на дачном участке

Генератор энергии в морских прогулках

Портативная солнечная панель с аккумулятором

Занимающий минимум места прибор

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для .

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

  1. Монокристаллические.
  2. Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

Галерея изображений

Фото из

Гелио-электростанция на загородном участке

Солнечные монокристаллические батареи

Внешний вид солнечных батарей на монокристаллах

Монокристаллическая единица солнечной батареи

Поставка готовой к монтажу солнечной батареи

Поликристаллический фотоэлемент для солнечной батареи

Гелио-батарея из поликристаллических фотоэлементов

Изготовление солнечной батареи своими руками

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Настоящим прорывов в области использования солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:

Галерея изображений

Фото из

Гибкий вариант солнечной батареи

Наклейка гибкого фотоэлемента на жалюзи

Зарядка для мобильников на гибкой батарее

Устойчивая к механическим воздействиям панель

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

  • температуры воздуха и самой батареи;
  • правильности подбора сопротивления нагрузки;
  • угла падения солнечных лучей;
  • наличия/отсутствия антибликового покрытия;
  • мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться , который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

  1. Гелиопанели.
  2. Контроллер.
  3. .
  4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен . Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

Солнечные батареи: как это работает

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.

История создания

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

 

Принцип работы

Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.

Схема работы фотоэлемента

Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.

Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.

Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов

Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).

На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей

 

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.

Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.

«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

 

Крупнейшие производители

Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.

Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения

Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.

Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.

Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech

 

Выводы

Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.

Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».

Солнечные батареи: принцип работы, как сделать своими руками в домашних условиях

Использование солнечной энергии для обеспечения жизненных потребностей в 21 веке является актуальным вопросом не только для корпораций, но и для населения. Теперь использование солнечных батарей для получения экологической электроэнергии привлекает много людей своей доступностью, автономностью, неиссякаемостью и минимальными вложениями. Теперь эти явления настолько привычны и обыденны, что уже давно прочно обосновались в нашу каждодневную жизнь.

Данный источник электроэнергии используется для освещения, функционирования бытовых электроприборов и отопления. Уличные фонари на солнечных батареях используются повсеместно в городской черте, на дачных участках и территориях загородных коттеджей.

Содержание

Принцип работы солнечной батареи

Устройство предназначено для непосредственного преобразования лучей солнца в электричество. Этот действие называется фотоэлектрическим эффектом. Полупроводники (кремневые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев n-слой (-) и р-слой (+). Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Это заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электричество, которое накапливается в аккумуляторе.

Как работает солнечная батарея, во многом зависит от ее устройства. Первоначально фотоэлементы изготавливались из кремния. Они и сейчас очень популярны, но поскольку процесс очистки кремния достаточно трудоемок и затратен, разрабатываются модели с альтернативными фотоэлементами из соединений кадмия, меди, галлия и индия, но они менее производительны.

КПД солнечных батарей с развитием технологий вырос. На сегодняшний день это показатель возрос от одного процента, который регистрировался в начале столетия, до более двадцати процентов. Это позволяет в наши дни использовать панели не только для обеспечения бытовых нужд, но и производственных.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

  • Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
  • Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
  • Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Установка солнечных батарей

Если конструкции будут использоваться для электрообеспечения жилых пространств, то место установки следует выбирать тщательно. Если панели будут загорожены высотными зданиями или деревьями, то трудно будет получить необходимую энергию. Их необходимо разместить там, где поток солнечных лучей максимален, то есть на южную сторону. Конструкцию лучше установить под наклоном, угол которого равен географической широте месторасположения системы.

Солнечные панели должны размещаться таким образом, чтобы хозяин имел возможность периодически очищать поверхность от пыли и грязи или снега, поскольку это приводит к более низкой способности выработки энергии.

Солнечная батарея своими руками

Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.

Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.

Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут. Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели. В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.

Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом. Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты. Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.

Современные устройства со встроенными солнечными модулями

  • Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.
  • Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.
  • Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.

Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.

как устроена и работает солнечная панель

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

Содержание статьи:

  • Солнечные батареи: терминология
  • Внутреннее устройство гелиобатареи
    • Виды кристаллов фотоэлементов
    • Принцип работы солнечной панели
  • Эффективность батарей гелиосистемы
  • Схема электропитания дома от солнца
  • Выводы и полезное видео по теме

Солнечные батареи: терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для отопления дома.

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

  • Монокристаллические.
  • Поликристаллические.
  • Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

    У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

    Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

    Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

    Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

    В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

    Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

    Принцип работы солнечной панели

    При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

    В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

    Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

    Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

    Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

    То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

    Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

    Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

    Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

    При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

    В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

    При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

    Эффективность батарей гелиосистемы

    Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

    Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

    Эффективность солнечных панелей зависит от:

    • температуры воздуха и самой батареи;
    • правильности подбора сопротивления нагрузки;
    • угла падения солнечных лучей;
    • наличия/отсутствия антибликового покрытия;
    • мощности светового потока.

    Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

    Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

    Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

    Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

    Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

    Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

    И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

    Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

    Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

    Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

    Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

    Схема электропитания дома от солнца

    Система солнечного электроснабжения включает:

  • Гелиопанели.
  • Контроллер.
  • Аккумуляторы.
  • Инвертор (трансформатор).
  • Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

    Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

    Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

    Выводы и полезное видео по теме

    Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

    Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

    Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:

    Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

    Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

    Принцип работы солнечных батарей

    11.03.2019

    Солнечные батареи сегодня применяются практически во всех сферах нашей жизни, зарядные устройства, уличные фонари, электромобили и много других областей где востребована солнечная энергия. Если вы хотите подробнее разобраться, как же работают эти устройства, из чего состоят и на что способны, читайте нашу статью.

    Немного истории солнечной энергетики

    Самым первым изобретенным устройством преобразующем были солнечные коллектора, которые изначально использовались как термальные электростанции, на которых электричество вырабатывается от нагретой до температуры кипения воды. Их использовали на термальных станциях, где с помощью вращения водяным паром турбины получали электричество.

    Но немного позже, был изобретен более эффективный путь добычи электроэнергии из солнечных лучей – солнечные батареи. При прямой переработке лучей в энергию, потери значительно меньше, а эффективность намного выше.

    На сегодняшний день солнечные батареи состоят из набора фотоэлементов, связанных в цепь. Фотоэлемент – это полупроводниковое устройство, которое непосредственно превращает луч в электрический ток. Этот процесс в физике называется фотоэлектрическим эффектом.

    Фотоэлектрический эффект был открыт Александром Беккерелем в 19 веке, однако в то время это была лишь теория. Спустя полвека был создан первый фотоэлемент, который сконструировал А. Столетов.

    Солнечная батарея: принцип работы

    А теперь немного физики.

    Полупроводник – это материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип).

    Исходя из этого свойства полупроводника и был создан фотоэлемент, который вмещает в себя два слоя с разной проводимостью: n-слой – используется как катод, а p-слой – как анод.

    А сам процесс выглядит так: лишние электроны с n-слоя покидают свои атомы, в то время как p-слой их собирает. А лучи солнечного света вытесняют электроны из атомов n-слоя, которые тут же захватывает p-слой. Дальше все происходит по кругу, выходя с p –слоя электроны проходят через нагрузку (в данном примере через аккумулятор) и возвращаются на n-слой.

    После понимания какие перспективы за этим стоят, ученые стали искать, какой же материал лучше всего подойдет для этих процессов. И первый современный фотоэлектрический элемент сделали из селена. После проведения ряда экспериментов, было выявлено что КПД процесса с использованием селена, еле достигал 1%, что конечно было не эффективно. Поиски нужного материала и эксперименты продолжались.

    Современный фотоэлемент состоит из кремния, он достаточно эффективен (КПД от 15 до 25%) и доступен для массового производства. Однако разработки в этом направлении не прекращаются. Целью на сегодняшний день является упрощение и удешевление процесса производства фотоэлементов, а также повышение КПД.

    Солнечная панель – состоит из набора фотоэлементов, связанных в электрическую сеть, так как по одному они мало эффективны. В зависимости от количества таких элементов, определяется и мощность всей панели или солнечной батареи.

    Конструкция самой батареи состоит из рамы, на которой располагаются фотоэлементы, закрепленные таким образом, чтобы имелась возможность из заменить по одному, и сверху защитная прозрачная панель из стекла или сверхпрочного пластика, который защищает панель от атмосферных осадков и других объектов.

    Разновидности солнечных батарей

    Классификация солнечных панелей происходит по мощности и типу используемых элементов.

    Элементы могут быть монокристаллические (из цельного кристалла кремния), поликристаллические (из сплава нескольких кусочков кремния) и аморфные (то есть гибкие).

    Для того чтобы на примере рассмотреть работу солнечных батарей, определим мощность солнечного потока. На экваторе мощность солнечных лучей достигает 1 кВт, в нашем регионе при пасмурной погоде она может опускаться ниже отметки 100 Вт. Для примера возьмем среднее значение в 500 Вт.

    Гибкие или аморфные солнечные батареи, изготавливаются на гибкой основе и могут покрывать неровные радиусные поверхности. При их производстве используются органические или химические элементы. У них самый низкий КПД около 5-10% . То есть такая панель, площадью 1 м2 при мощности солнечных лучей 500 Вт произведет 25 – 50 Вт электроэнергии.

    Монокристаллические и поликристаллический батареи как упоминалось выше, изготовлены из кремниевых полупроводников. Их коэффициент преобразования 20-25%. Панель размером 1м2 выработает около 125 Вт энергии.

    Ученые и дальше продолжают работать над сплавами, которые могут повысить эффективность солнечных батарей. Передовыми разработками на сегодняшний день являются решения на основе арсенида галлия, который способен повысить эффективность батарей до 35-40%.

    В зависимости от нужной мощности батареи имеют разные типоразмеры. От совсем маленьких на 10-50 Вт (портативные, которые подходят для туризма, позволяют заряжать телефоны, планшеты и фотоаппараты) до больших 200 — 300 Вт (1-1,5м2), которые обычно устанавливают стационарно для снабжения электричеством дома или дачи.

    Стабильность работы солнечной батареи и эффективность зависит от окружающей температуры, затенения, угла установки, смены сезона – все эти факторы могут значительно снизить производительность.

    Например, при очень высоких температурах, производительность фотоэлемента сильно снижается. А если часть элементов на панели затенить, то производительность упадет у всех, даже хорошо освещенных.

    Поэтому важно правильно выбирать место и способ установки таких панелей.

    Крупнейшие производители солнечных батарей

    Мировыми лидерами среди производителей являются китайские заводы, такие как Suntech, Yingli, Trina Solar.

    Также не сдают позиции США- First Solar и японская компания Sharp, с ее солнечным подразделением Sharp Solar.

    Все эти компании имеют большие заводы, лаборатории разработки и испытаний произведенных модулей.

    Американская компания First Solar кроме производства принимает активное участие в проектировании и строительстве крупнейших солнечных станций в Америке. Например инженеры этой компании спроектировали мощнейшую в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона.

    В Украине также наметилась положительная тенденция для солнечной энергетики. Самой крупной станцией считается СЭС «Перово» расположенная в Крыму общая мощность которой 105,56 МВт. Построена австрийской компании производителем солнечных панелей Activ Solar.

    Крупная китайская компания Suntech известна тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

    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

    Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:

    • Кремний N-типа имеет избыток электронов
    • Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)

    Кремний Р и N типа

    Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.

    Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р — сторону пластины.

    После «освобождения» электрон стремится к проводнику

    Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка 🙂 . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».

    Работа фотоэлемента

    Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.

    Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.

    Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?



    Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.

    1. 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.
    2. КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
    3. 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.
    4. 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.



    Окупаются ли солнечные батареи для частного дома

    Подбираем аккумулятор для солнечной электростанции

    Виды садовых светильников и фонарей на солнечных батареях, как и где использовать.

    Как выбрать солнечную панель — обзор важных параметров

    Принцип солнечной батареи | О солнечной энергии | Наш дух солнечной энергии | Солнечная энергия | Продукция

    Преобразование солнечного света в электричество
    Солнечная батарея
    (мультикристаллический кремний)
    Фотоэлектрические модули, обычно называемые солнечными модулями, являются ключевыми компонентами, используемыми для преобразования солнечного света в электричество. Солнечные модули сделаны из полупроводников, которые очень похожи на те, которые используются для создания интегральных схем для электронного оборудования.Наиболее распространенный тип полупроводников, используемых в настоящее время, состоит из кристаллов кремния. Кристаллы кремния разделены на слои n-типа и p-типа, уложенные друг на друга. Свет, падающий на кристаллы, вызывает «фотоэлектрический эффект», который генерирует электричество. Произведенное электричество называется постоянным током (DC), и его можно использовать немедленно или хранить в батарее. Для систем, установленных в домах, обслуживаемых коммунальной сетью, устройство, называемое инвертором, преобразует электричество в переменный ток (AC), стандартную мощность, используемую в жилых домах.

    Производство электроэнергии с использованием шлюза P-N
    Кристаллы кремния высокой чистоты используются для производства солнечных элементов. Кристаллы перерабатываются в солнечные элементы методом плавления и литья. Отливку кубической формы затем разрезают на слитки, а затем нарезают на очень тонкие пластины.

    Обработка пластин
    Атомы кремния имеют четыре «руки». В стабильных условиях они становятся идеальными изоляторами.Комбинируя небольшое количество пятиконечных атомов (с избыточным электроном), возникает отрицательный заряд, когда солнечный свет (фотоны) попадает в избыточный электрон. Затем электрон разряжается из плеча, чтобы свободно перемещаться. Кремний с такими характеристиками проводит электричество. Это называется полупроводником n-типа (отрицательным) и обычно возникает из-за того, что кремний «легирован» фосфорной пленкой.

    Напротив, объединение трехрукавных атомов, у которых отсутствует один электрон, приводит к образованию дырки с отсутствующим электроном.Тогда полупроводник будет нести положительный заряд. Это называется полупроводником p-типа (положительным) и обычно получается, когда бор вводится в кремний.

    p-n-переход формируется путем размещения полупроводников p-типа и n-типа рядом друг с другом. P-тип с одним электроном меньше, притягивает излишки электронов n-типа, чтобы стабилизироваться. Таким образом, электричество вытесняется и генерирует поток электронов, также известный как электричество.

    Когда солнечный свет попадает на полупроводник, возникает электрон, который притягивается к полупроводнику n-типа. Это вызывает больше негативов в полупроводниках n-типа и больше плюсов в p-типе, тем самым генерируя больший поток электричества. Это фотоэлектрический эффект.

    Региональные офисы

    Связанная информация

    солнечный элемент | Определение, принцип работы и разработка

    Солнечный элемент , также называемый фотоэлектрическим элементом , любое устройство, которое напрямую преобразует энергию света в электрическую посредством фотоэлектрического эффекта. Подавляющее большинство солнечных элементов изготавливается из кремния — с повышением эффективности и снижением стоимости, поскольку материалы варьируются от аморфных (некристаллических) до поликристаллических и кристаллических (монокристаллических) форм кремния. В отличие от батарей или топливных элементов, в солнечных элементах не используются химические реакции и не требуется топливо для производства электроэнергии, и, в отличие от электрических генераторов, они не имеют движущихся частей.

    Схема структуры солнечного элемента

    Обычно используемая структура солнечного элемента.Во многих таких ячейках абсорбирующий слой и задний переходный слой изготовлены из одного и того же материала.

    Encyclopædia Britannica, Inc.

    Солнечные элементы могут быть организованы в большие группы, называемые массивами. Эти массивы, состоящие из многих тысяч отдельных ячеек, могут функционировать как центральные электростанции, преобразовывая солнечный свет в электрическую энергию для распределения между промышленными, коммерческими и бытовыми пользователями. Солнечные элементы в гораздо меньшей конфигурации, обычно называемые панелями солнечных батарей или просто солнечными панелями, были установлены домовладельцами на своих крышах, чтобы заменить или увеличить их обычное электроснабжение.Панели солнечных батарей также используются для обеспечения электроэнергией многих удаленных земных участков, где обычные источники электроэнергии либо недоступны, либо чрезмерно дороги в установке. Поскольку у них нет движущихся частей, которые могли бы нуждаться в обслуживании, или топлива, которое потребовало бы пополнения, солнечные элементы обеспечивают питание для большинства космических установок, от спутников связи и метеорологических спутников до космических станций. (Однако солнечной энергии недостаточно для космических зондов, отправляемых к внешним планетам Солнечной системы или в межзвездное пространство, из-за распространения лучистой энергии по мере удаления от Солнца.) Солнечные элементы также используются в потребительских товарах, таких как электронные игрушки, карманные калькуляторы и портативные радиоприемники. Солнечные элементы, используемые в устройствах такого типа, могут использовать искусственный свет (например, от ламп накаливания и люминесцентных ламп), а также солнечный свет.

    Международная космическая станция

    Международная космическая станция (МКС) была построена секциями, начиная с 1998 года. К декабрю 2000 года основные элементы частично завершенной станции включали построенный американцами соединительный узел Unity и два российских объекта — «Заря». силовой модуль, а также начальные жилые помещения «Звезда».Российский космический корабль, на борту которого находился первый экипаж из трех человек, пришвартован в конце «Звезды». Фотография сделана с космического корабля «Индевор».

    Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

    Изучите способы сделать солнечные элементы более эффективными, действенными и доступными по цене

    Узнайте об усилиях по повышению эффективности солнечных элементов.

    Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц См. Все видео к этой статье

    Хотя общее производство фотоэлектрической энергии незначительно, оно, вероятно, увеличится по мере сокращения ресурсов ископаемого топлива.Фактически, расчеты, основанные на прогнозируемом мировом потреблении энергии к 2030 году, показывают, что глобальные потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечных батарей, работающих с 20-процентной эффективностью и покрывающих лишь около 496 805 квадратных километров (191 817 квадратных миль) поверхности Земли. Потребности в материалах будут огромными, но выполнимыми, поскольку кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре. Эти факторы побудили сторонников солнечной энергии предвидеть будущую «солнечную экономику», в которой практически все потребности человечества в энергии будут удовлетворяться за счет дешевого, чистого, возобновляемого солнечного света.

    Структура и работа солнечных элементов

    Солнечные элементы, независимо от того, используются ли они в центральной электростанции, спутнике или калькуляторе, имеют одинаковую базовую структуру. Свет проникает в устройство через оптическое покрытие или антиотражающий слой, который сводит к минимуму потери света на отражение; он эффективно улавливает свет, падающий на солнечный элемент, способствуя его передаче нижним слоям преобразования энергии. Антиотражающий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана, который образуется на поверхности ячейки методом центрифугирования или вакуумного осаждения.

    солнечная энергия; солнечный элемент

    Солнечная энергетическая установка производит мегаватты электроэнергии. Напряжение генерируется солнечными элементами, изготовленными из специально обработанных полупроводниковых материалов, таких как кремний.

    Предоставлено Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии
    Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
    Подпишитесь сейчас

    Три слоя преобразования энергии под антиотражающим слоем — это верхний переходной слой, абсорбирующий слой, составляющий сердцевину устройства, и задний переходный слой. Два дополнительных электрических контактных слоя необходимы для отвода электрического тока к внешней нагрузке и обратно в элемент, замыкая электрическую цепь. Слой электрического контакта на поверхности ячейки, куда проникает свет, обычно присутствует в виде некоторой сетки и состоит из хорошего проводника, такого как металл. Поскольку металл блокирует свет, линии сетки должны быть настолько тонкими и широко разнесенными, насколько это возможно, без ухудшения сбора тока, производимого элементом. Задний электрический контактный слой не имеет таких диаметрально противоположных ограничений.Он должен просто функционировать как электрический контакт и, таким образом, покрывать всю заднюю поверхность ячеистой структуры. Поскольку задний слой также должен быть очень хорошим проводником электричества, он всегда делается из металла.

    Поскольку большая часть энергии солнечного света и искусственного света находится в видимом диапазоне электромагнитного излучения, поглотитель солнечных элементов должен эффективно поглощать излучение на этих длинах волн. Материалы, которые сильно поглощают видимое излучение, относятся к классу веществ, известных как полупроводники.Полупроводники толщиной около одной сотой сантиметра или меньше могут поглощать весь падающий видимый свет; Поскольку переходные и контактные слои намного тоньше, толщина солнечного элемента по существу равна толщине поглотителя. Примеры полупроводниковых материалов, используемых в солнечных элементах, включают кремний, арсенид галлия, фосфид индия и селенид индия меди.

    Когда свет падает на солнечный элемент, электроны в слое поглотителя возбуждаются из «основного состояния» с более низкой энергией, в котором они связаны с определенными атомами в твердом теле, в более высокое «возбужденное состояние», в котором они может двигаться сквозь твердое тело.В отсутствие слоев, образующих переход, эти «свободные» электроны находятся в беспорядочном движении, и поэтому не может быть ориентированного постоянного тока. Однако добавление слоев, образующих переход, индуцирует встроенное электрическое поле, которое создает фотоэлектрический эффект. Фактически, электрическое поле обеспечивает коллективное движение электронам, которые проходят через слои электрического контакта во внешнюю цепь, где они могут выполнять полезную работу.

    Материалы, используемые для двух слоев, образующих переход, должны отличаться от поглотителя, чтобы создавать встроенное электрическое поле и пропускать электрический ток.Следовательно, это могут быть разные полупроводники (или один и тот же полупроводник с разными типами проводимости), или они могут быть металлом и полупроводником. Материалы, используемые для создания различных слоев солнечных элементов, по существу те же, что и материалы, используемые для производства диодов и транзисторов твердотельной электроники и микроэлектроники ( см. Также Электроника: Оптоэлектроника). Солнечные элементы и микроэлектронные устройства используют одну и ту же базовую технологию. Однако при изготовлении солнечных элементов стремятся создать устройство большой площади, поскольку вырабатываемая мощность пропорциональна освещенной площади. В микроэлектронике цель, конечно, состоит в создании электронных компонентов все меньших размеров, чтобы увеличить их плотность и скорость работы в полупроводниковых кристаллах или интегральных схемах.

    Фотогальванический процесс имеет определенное сходство с фотосинтезом, процессом, с помощью которого энергия света преобразуется в химическую энергию в растениях. Поскольку солнечные элементы, очевидно, не могут производить электроэнергию в темноте, часть энергии, которую они вырабатывают при свете, сохраняется во многих приложениях для использования, когда свет недоступен.Одним из распространенных способов хранения этой электроэнергии является зарядка электрохимических аккумуляторных батарей. Эта последовательность преобразования энергии света в энергию возбужденных электронов, а затем в запасенную химическую энергию поразительно похожа на процесс фотосинтеза.

    Принципы проектирования солнечных элементов | PVEducation

    Конструкция солнечного элемента включает определение параметров структуры солнечного элемента с целью максимизации эффективности с учетом определенного набора ограничений. Эти ограничения будут определяться рабочей средой, в которой производятся солнечные элементы.Например, в коммерческой среде, где целью является производство солнечного элемента по конкурентоспособной цене, необходимо учитывать стоимость изготовления конкретной конструкции солнечного элемента. Однако в исследовательской среде, где целью является создание высокоэффективной ячейки лабораторного типа, главным соображением является максимизация эффективности, а не стоимости.

    Эволюция эффективности кремниевых солнечных элементов.

    Теоретическая эффективность фотоэлектрического преобразования превышает 86.8%. Однако цифра 86,8% основана на подробных расчетах баланса и не описывает реализацию устройства. Для кремниевых солнечных элементов более реалистичный КПД при работе на одном солнце составляет около 29%. Максимальный КПД кремниевого солнечного элемента в настоящее время составляет 24,7% при AM1.5G. Разница между высокой теоретической эффективностью и эффективностью, измеренной на земных солнечных элементах, в основном объясняется двумя факторами. Во-первых, теоретические прогнозы максимальной эффективности предполагают, что энергия каждого фотона используется оптимально, что нет непоглощенных фотонов и что каждый фотон поглощается материалом, ширина запрещенной зоны которого равна энергии фотона.Теоретически это достигается путем моделирования бесконечного набора солнечных элементов из различных материалов запрещенной зоны, каждый из которых поглощает только фотоны, которые точно соответствуют его ширине запрещенной зоны.

    Второй фактор заключается в том, что прогнозы высокой теоретической эффективности предполагают высокий коэффициент концентрации. Предполагая, что температура и резистивные эффекты не преобладают в солнечном элементе-концентраторе, увеличение интенсивности света пропорционально увеличивает ток короткого замыкания. Поскольку напряжение холостого хода (V oc ) также зависит от тока короткого замыкания, V oc увеличивается логарифмически с уровнем освещенности.Кроме того, поскольку максимальный коэффициент заполнения (FF) увеличивается с V oc , максимально возможный FF также увеличивается с концентрацией. Дополнительный V oc и FF увеличивается с концентрацией, что позволяет концентраторам достигать более высокой эффективности.

    При разработке таких однопереходных солнечных элементов используются следующие принципы повышения эффективности элементов:

    • увеличение количества света, собираемого ячейкой, которая превращается в носители;
    • увеличение сбора генерируемых светом носителей переходом p-n ;
    • минимизирующий темновой ток прямого смещения;
    • извлекает ток из ячейки без резистивных потерь.

    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 озари 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, 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?

    A солнечный элемент — это 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 .
    соединены в еще более крупные блоки, известные как солнечные панели (черные или
    синие плиты, 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. Придерживайтесь
    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
    обтекать электрическую цепь и приводить в действие 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 изготовлены 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.
    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 батареи?

    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 теоретически могут управлять примерно 15 процентами, а на практике, вероятно, 8 процентами.

    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 преобразует 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, недостаточно
    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 достичь эффективности 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 солнечных элементов

    Большинство солнечных элементов, которые вы увидите сегодня на крышах людей, — это
    по сути просто кремниевые бутерброды, специально обработанные («легированные»)
    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 слябов 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 г.

    Сколько энергии мы можем получить с помощью солнечных батарей?

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

    Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности / Гринпис, 2011 .

    По идее 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
    поверхности и дает максимальное освещение или инсоляции , 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 (размером примерно
    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 (их 500, 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 батареи 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: Микроветровая турбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать батарею, которая держит 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 сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.Беспокоясь о
    захват 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), а 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 подходит 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, по-прежнему 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?

    Проблема с аргументами такого рода состоит в том, что они весят только
    основные экономические и технологические факторы и не учитывают
    скрытые экологические расходы на 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 это возможно.
    достичь чего-то, что называется , четность 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 Великобритании
    потребность в электроэнергии около 60 ГВт (с учетом таких факторов, 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 примечании.

    Диаграмма

    : Солнечная энергия с каждым годом вырабатывает 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.Может ли такой рост продолжаться? 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) обнаружил, 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 разбирается в физике 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 обнаружили, что кристаллы перовскита имеют большой потенциал в качестве фотоэлектрических материалов третьего поколения.
    • , 2014 г .: совместная работа немецких и французских ученых установила новый рекорд КПД в 46% 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.

    Что такое фотоэлектрическая или солнечная батарея? — Определение, строительство, работа и установка

    Определение: Фотоэлектрический элемент — это полупроводниковое устройство, преобразующее свет в электрическую энергию. Напряжение, создаваемое фотоэлементом, зависит от интенсивности падающего на него света. Название «Фотоэлектрические» связано с их способностью генерировать напряжение.

    Электроны полупроводникового материала связаны ковалентной связью.Электромагнитное излучение состоит из частиц небольшой энергии, называемых фотонами. Когда фотоны падают на полупроводниковый материал, электроны получают энергию и начинают излучать.

    Электрон, возбуждающий энергию, известен как фотоэлектроны. А явление испускания электронов известно как фотоэлектрический эффект. Работа фотоэлемента зависит от фотоэлектрического эффекта.

    Строительство фотоэлектрических элементов

    Полупроводниковые материалы, такие как арсенид, индий, кадмий, кремний, селен и галлий, используются для изготовления фотоэлементов.В основном для изготовления элемента используются кремний и селен.

    Рассмотрим рисунок ниже, показывающий конструкции кремниевого фотоэлемента. Верхняя поверхность ячейки сделана из тонкого слоя материала p-типа, так что свет может легко проникать в материал. Металлические кольца размещены вокруг материала p-типа и n-типа, который действует как их положительные и отрицательные выходные клеммы соответственно.

    Мультикристаллический или монокристаллический полупроводниковый материал составляет единицу фотоэлемента.Монокристаллическая ячейка вырезана из объема полупроводникового материала. Многоклеточные элементы получают из многогранного материала.

    Выходное напряжение и ток, полученные от одного элемента ячейки, очень меньше. Величина выходного напряжения составляет 0,6 В, а тока — 0,8 В. Различные комбинации ячеек используются для увеличения выходной эффективности. Есть три возможных способа объединения фотоэлементов.

    Комбинация фотоэлементов серии

    Если более двух ячеек соединены последовательно друг с другом, то выходной ток ячейки остается прежним, а их входное напряжение удваивается.На приведенном ниже графике показана выходная характеристика фотоэлементов при последовательном соединении.

    Параллельная комбинация фотоэлементов

    При параллельном соединении ячеек напряжение остается прежним, а величина тока удваивается. Ниже представлена ​​характеристическая кривая параллельной комбинации ячеек.

    Последовательно-параллельная комбинация фотоэлементов

    В последовательно-параллельной комбинации ячеек величина как напряжения, так и тока увеличивается.Таким образом, солнечные панели изготавливаются с использованием последовательно-параллельной комбинации ячеек.

    Солнечный модуль построен путем соединения отдельных солнечных элементов. И комбинация солнечных модулей вместе известна как солнечная панель.

    Работа фотоэлемента

    Свет, падающий на полупроводниковый материал, может проходить или отражаться через него. Фотоэлемент изготовлен из полупроводникового материала, который не является ни полным проводником, ни изолятором. Это свойство полупроводникового материала делает его более эффективным для преобразования световой энергии в электрическую.

    Когда полупроводниковый материал поглощает свет, его электроны начинают излучать. Это происходит потому, что свет состоит из небольших заряжающих энергией частиц, называемых фотонами. Когда электроны поглощают фотоны, они получают энергию и начинают двигаться в материал. Из-за действия электрического поля частицы движутся только в одном направлении и развивают ток. Полупроводниковые материалы имеют металлические электроды, через которые проходит ток.

    На рисунке ниже показан фотоэлемент, сделанный из кремния, и резистивная нагрузка подключена к нему.Фотоэлектрическая ячейка состоит из слоев полупроводникового материала P- и N-типа. Эти слои соединяются вместе, образуя PN-переход.

    Соединение — это поверхность раздела между материалами p-типа и n-типа. Когда свет падает на переход, электроны начинают перемещаться из одной области в другую.

    Как установить солнечную батарею на солнечной электростанции?

    Трекер точки максимальной мощности, инвертор, контроллер заряда и аккумулятор — это название устройства, используемого для преобразования излучения в электрическое напряжение.

    Трекер максимальной мощности — это особый вид цифрового трекера, который отслеживает положение солнца. Эффективность фотоэлемента зависит от интенсивности падающего на него солнечного света. Мощность Солнца меняется со временем из-за движения Земли. Поэтому для максимального поглощения света панель необходимо перемещать вместе с солнцем. Таким образом, трекер максимальной мощности используется с солнечной панелью.

    Контроллер заряда — Контроллер заряда регулирует напряжение, подаваемое с панели.Он также защищает аккумулятор от перезарядки или перенапряжения.

    Инвертор — Инвертор преобразует постоянный ток в переменный и наоборот. Преобразование необходимо, потому что некоторым приборам для работы требуется источник переменного тока.

    Как работают солнечные панели? | Фотоэлектрические элементы

    Проще говоря, солнечная панель работает, позволяя фотонам или частицам света выбивать электроны из атомов, создавая поток электричества.Солнечные панели на самом деле состоят из множества небольших блоков, называемых фотоэлектрическими элементами. (Фотоэлектрические элементы просто означают, что они преобразуют солнечный свет в электричество.) Многие элементы, соединенные вместе, составляют солнечную панель.

    Каждый фотоэлектрический элемент представляет собой сэндвич, состоящий из двух пластин полупроводящего материала, обычно кремния — того же материала, что и в микроэлектронике.

    Для работы фотоэлектрическим элементам необходимо создать электрическое поле. Подобно магнитному полю, которое возникает из-за противоположных полюсов, электрическое поле возникает, когда противоположные заряды разделены.Чтобы получить это поле, производители «смешивают» кремний с другими материалами, придавая каждому кусочку сэндвича положительный или отрицательный электрический заряд.

    В частности, они вводят фосфор в верхний слой кремния, который добавляет к этому слою дополнительные электроны с отрицательным зарядом. Между тем нижний слой получает дозу бора, что приводит к уменьшению количества электронов или положительному заряду. Все это складывается в электрическое поле на стыке между слоями кремния. Затем, когда фотон солнечного света выбивает электрон, электрическое поле выталкивает этот электрон из кремниевого перехода.

    Пара других компонентов ячейки превращает эти электроны в полезную энергию. Металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на провода. В этот момент электроны могут течь, как любой другой источник электричества.

    Недавно исследователи создали ультратонкие гибкие солнечные элементы толщиной всего 1,3 микрона — примерно 1/100 ширины человеческого волоса — и в 20 раз легче листа офисной бумаги. Фактически, элементы настолько легкие, что могут находиться на вершине мыльного пузыря, и при этом они производят энергию с такой же эффективностью, как и солнечные элементы на основе стекла, сообщили ученые в исследовании, опубликованном в 2016 году в журнале Organic Electronics.Такие более легкие и гибкие солнечные элементы могут быть интегрированы в архитектуру, аэрокосмические технологии или даже в носимую электронику.

    Существуют и другие типы технологий солнечной энергии, в том числе солнечная тепловая и концентрированная солнечная энергия (CSP), которые работают иначе, чем фотоэлектрические солнечные панели, но все они используют энергию солнечного света для производства электричества или нагрева воды или воздуха. .

    Примечание редактора : эта статья была первоначально опубликована 7 декабря.16 декабря 2013 г., и 6 декабря 2017 г. он был обновлен, чтобы включить последние достижения в области солнечных технологий.

    Оригинальная статья о Live Science.

    Принцип работы фотоэлемента

    | Как работают солнечные фотоэлектрические элементы

    Изучите принцип работы фотоэлементов ИЛИ Как работают солнечные фотоэлектрические элементы.

    Здесь мы узнаем о принципе работы фотоэлементов или Как работают солнечные фотоэлектрические элементы .

    Что такое фотоэлемент или солнечный элемент?

    Фотоэлемент или солнечный элемент с его символом

    Фотоэлемент, или солнечный элемент, или фотоэлектрический элемент — это самый маленький и основной строительный блок фотоэлектрической системы (солнечный модуль и солнечная панель ).Эти ячейки различаются по размеру от 0,5 до 4 дюймов. Они состоят из солнечного фотоэлектрического материала, который преобразует солнечное излучение в электричество постоянного тока ( DC ).

    Материалы, используемые для фотоэлектрических систем, включают монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, микрокристаллический кремний, теллурид кадмия и селенид / сульфид индия меди.

    Различные типы фотоэлементов

    Сегодня разрабатывается много новых стилей фотоэлементов, но в основном используются два разных материала:

    1.Кристаллические кремниевые фотоэлементы (монокристаллические)

    Эти солнечные элементы изготовлены из кристаллического кремния. Многие из вас, должно быть, знают, что кремний является вторым по распространенности материалом на Земле и в большом количестве содержится в песке. Чтобы сделать солнечные элементы из кремния, изготовленные кристаллы кремния нарезают до толщины около 300 микрометров и покрывают, чтобы они работали как полупроводник для улавливания солнечной энергии.

    2. Тонкопленочные или поликристаллические фотоэлементы

    В тонкопленочных фотоэлементах в качестве полупроводника используется аморфный кремний или альтернатива кремнию.Эти солнечные элементы относительно гибкие и могут быть установлены непосредственно со строительными материалами. Они отлично работают даже в облаках при слабом солнечном свете. Здесь недостатком является то, что тонкопленочные фотоэлектрические элементы сравнительно вырабатывают меньше электроэнергии, чем кристаллические кремниевые элементы.

    Солнечные фотоэлектрические панели

    Массив или солнечные фотоэлементы электрически соединены вместе, чтобы сформировать фотоэлектрический модуль, а массив таких модулей снова электрически соединен вместе, чтобы сформировать солнечную панель.Это соединение выполняется пайкой с использованием проволоки для припоя с флюсовым сердечником и PV-ленты.

    Солнечные батареи, солнечные модули и солнечные панели

    Характеристики фотоэлементов или солнечных элементов

    Знаете ли вы, что солнечный свет мы получаем на Земле частицами солнечной энергии, называемыми фотонами. Когда эти частицы ударяются о полупроводниковый материал (кремний , ) солнечного элемента, свободные электроны высвобождаются и перемещаются к обработанной передней поверхности элемента, создавая отверстия. Этот механизм повторяется снова и снова, и все больше и больше электронов ( Negative Charge ) движутся по направлению к передней поверхности ячейки и создают дисбаланс электронов.Теперь, когда передняя () и задняя ( + ) поверхности фотоэлектрического элемента соединены проводником, таким как медный провод, вырабатывается электричество.

    Принцип работы фотоэлементов для выработки электроэнергии

    Солнечные элементы преобразуют энергию солнечного света в электрическую. Солнечные элементы содержат такой материал, как кремний, который поглощает световую энергию. Энергия высвобождает электроны, чтобы они могли свободно течь и создавать разницу в электрической потенциальной энергии или напряжении.

    Поток электронов или отрицательный заряд создает электрический ток. Солнечные элементы имеют положительные и отрицательные контакты, как клеммы в батарее. Если контакты соединены проводящим проводом, ток течет от отрицательного контакта к положительному. На рисунке ниже показано, как фотоэлемент вырабатывает электричество.

    Принцип работы фотоэлемента

    или как работает фотоэлемент

    Сколько электроэнергии может вырабатывать фотоэлемент

    Один фотоэлектрический элемент может производить от 1 до 2 Вт электроэнергии.Этой энергии слишком мало для использования в домашнем хозяйстве или в коммерческих целях.

    Для увеличения выработки электроэнергии несколько фотоэлектрических элементов электрически соединены вместе, чтобы сформировать фотоэлектрический модуль, и эти модули дополнительно электрически соединены, чтобы сформировать фотоэлектрическую панель / фотоэлектрическую матрицу. Количество модулей, соединенных для формирования массива, зависит от количества необходимой солнечной электроэнергии.

    Преобразование постоянного тока в переменный ток

    Фотоэлементы генерируют постоянный или постоянный ток.Это постоянное электричество должно быть преобразовано в переменный или переменный ток, чтобы его можно было использовать в системе домашнего освещения или работающих электроприборах. Инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный. Это то же самое, что преобразование постоянного тока из батареи в переменный ток.

    Хранение электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями

    Электроэнергия, вырабатываемая солнечными элементами с использованием солнечной энергии, должна храниться, чтобы ее можно было использовать позже, когда это потребуется.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.