За счет работает солнечная батарея. Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Казалось бы, совсем недавно солнечная батарея прочно ассоциировалась с космическими кораблями, орбитальными станциями и луноходами. А сейчас, устройство, способное извлекать электричество из света можно обнаружить в любом калькуляторе. Более того, в богатых солнечным светом странах с жарким летом и мягкой зимой (ученые называют их «страны с высокой инсоляцией»), таких как Италия, Испания, Португалия, южные штаты США и т.д. Солнечная энергетика является заметной статьей экономии средств на электро- и теплоснабжение. Причем экономия эта происходит как по частной инициативе граждан, так и в виде обязательных к выполнению государственных нормативных актов, как например в Испании.

Попытки заставить работать на себя энергию солнца предпринимались человечеством давно, так по легенде Архимед сжег римский флот, приказав сфокусировать множеством зеркал (в другой версии – начищенных до блеска щитов) солнечный свет на парусах римских галер. Но заметные результаты попытки подчинения энергии солнца дали только в прошлом веке. Какие же существуют пути использования солнечной энергии?

Как получить электричество

Самый очевидный путь – это преобразование световой энергии солнца в тепловую. Строго говоря, это даже преобразованием назвать нельзя, ведь свет и тепло имеют одну и ту же природу и отличаются лишь частотой, правильнее будет говорить о сборе тепла. Для сбора солнечного тепла устройства, которые так и называются - («коллектор» буквально означает сборщик). Принцип их действия предельно прост – теплоноситель (вода, реже воздух) нагревается в сделанном из теплопоглощающего материала радиаторе. Такие устройства имеют широкое применение для горячего водоснабжения частных домов.

Другой интересный способ использования энергии ближайшего светила подсказывает нам природа. За миллионы лет эволюции растения научились преобразовывать энергию солнца в энергию химических связей, синтезируя из простых веществ сложное соединение – глюкозу. Тот, кто не прогуливал в школе ботанику, конечно, догадался, что речь идет о фотосинтезе. Но не каждый задумывался об энергетической сущности этого процесса, состоящей как раз в накоплении солнечной энергии и дальнейшего ее использования (в том числе зимой) в «личных» целях. То есть речь идет о биоэнергетике. Реальной, а не той, о которой рассказывают доморощенные маги. Способ использования энергии солнца по такому принципу работы еще только ждет своего применения в рукотворной технике.

Как уже говорилось выше, самый простой способ использования в личных целях энергию солнца – это сбор тепловой энергии. Однако «самый простой» не всегда означает «самый лучший». Дело в том, что тепловая энергия – это, можно сказать, «скоропортящийся продукт». Попробуйте «законсервировать» тепло или передать его на большие расстояния. Скорее всего, затраты перекроют все возможные выгоды. Наиболее удобным для накопления и транспортировки видом энергии является электричество. Его можно без особых проблем собрать в аккумуляторах либо передать по проводам к месту, где оно будет работать, с минимальными потерями. Отсюда следует третий, самый распространенный способ использования солнечного света – преобразование его в электрическую энергию.

Как это работает

Преобразование солнечного света происходит в батареях (то есть последовательно подключенных группах) фотоэлементов, которые подучили название «солнечные батареи». По какому же принципу работают солнечные батареи?

Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. С кремнием (точнее его оксидами) мы встречаемся каждый день – это знакомый нам песок. Таким образом, можно сказать, что кремниевый кристалл – это выращенная в лаборатории гигантская песчинка. Кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).

На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.

Мощность одной пластинки-фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом. Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет.

Важным преимуществом солнечной батареи является то, что она использует свет, а не тепло, поэтому, в отличие от коллектора, солнечная батарея может работать и зимой, лишь бы облачность не закрывала солнечный свет. Существуют проекты строительства огромных полей солнечных батарей в Арктике и Антарктике, которые будут накапливать энергию во время полугодового полярного дня, который на севере наступает летом, а на юге – зимой, то есть две гигантских солнечных электростанции никогда не будут бездействовать одновременно.

Это все в далекой перспективе, а извлечь пользу из свойств солнечной батареи можно уже сегодня, оборудовав свое жилище миниатюрной гелиоэлектростанцией. Такая станция конечно вряд ли сможет полностью удовлетворить потребности хозяйства в электричестве, но, без сомнения, станет чувствительным фактором экономии семейного бюджета.

Солнечный свет не только делает возможной жизнь на Земле, он может со временем также стать и поставщиком большого количества электроэнергии, без которой немыслима современная цивилизация. Использование солнечного света может быть не прямым, а в виде подвода энергии к турбинам.

В этом случае комплект зеркал фокусирует солнечную энергию на теплообменник, который испаряет воду или любую другую жидкость, вырабатывая пар для привода обычной турбины, соединенной с генератором. Однако возможно и прямое преобразование солнечного света в электроэнергию, например, при помощи кремниевых солнечных элементов.

Типичный солнечный элемент состоит из шести слоев. Основание (база) одновременно выполняет роль отрицательного полюса элемента; отражающий слой удерживает свет внутри рабочей части элемента, увеличивая его электрическую эффективность; два слоя обогащенного кремния (N-типа и Р-типа) образуют ядро солнечного элемента. Кремний N-типа имеет свободные отрицательные заряды, а кремний Р-типа - несвязанные положительные заряды. При отсутствии освещения эти заряды скапливаются в зоне контакта слоев; когда на элемент падает солнечный свет, заряды расходятся в стороны. Такое перемещение зарядов создает постоянный ток, если солнечный элемент является частью замкнутой цепи. Сверху кремний защищен прозрачной пленкой, на которой размещен металлический контакт положительного полюса.

Как работает солнечный элемент

Солнечный свет, падающий на элемент солнечной батареи, разделяет положительные и отрицательные заряды, которые аккумулируются в зоне контакта между пластинками кремния Р-типа и N-типа. Это разделение создает напряжение, под действием которого при включении элемента в замкнутую цепь в ней начинает течь электрический ток

Секционные солнечные батареи

Солнечные батареи (рисунок над текстом) вырабатывают постоянный ток, который может быть преобразован на электростанции в переменный. Избыточная электроэнергия, выработанная солнечными элементами, может быть запасена в аккумуляторных батареях для последующего использования.

Солнечные батареи в космосе

Для большинства космических спутников солнечные батареи являются основным источником энергии. Эти батареи (рисунок справа) отличаются от тех, что используются на Земле (рисунок слева). Если батареи, установленные вблизи земной поверхности, нуждаются в защите от дождя и пыли, то те, что функционируют в космосе, должны быть защищены от жесткого космического излучения.

Солнечная теплоэлектростанция

Солнечный свет может снабжать теплотой паротурбинную установку, приводящую во вращение генератор. Комплект зеркал фокусирует солнечный свет на башню-концентратор. Результирующий световой пучок настолько интенсивен, что может превращать натрий в пар. Пары натрия используются для превращения воды в пар, который затем приводит во вращение турбину.

Получили настолько широкое распространение, что каждый пользователь может заказать комплектующие и самостоятельно своими руками собрать и установить фотоэлектрические панели. Конечно, вопрос цены остаётся актуален, ведь солнечные панели совсем не дешёвый вариант, зато это экологично. А стоимость, с каждым годом становится всё дешевле. Так что каждый, наверняка сталкивался с идеей использования такого источника электричества, но вот принцип работы солнечной батареи знает далеко не каждый.

Видео о том, как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи

Чтобы понять как работает солнечная батарея необходимо разобраться из чего она состоит. Как правило солнечный источник энергии состоит из таких частей:

• Генератор постоянного тока (она же солнечная панель)

• Аккумулятор с контролем заряда и инвертором, преобразующим ток в переменный

• В свою очередь панель состоит из фотоэлектрических преобразователей , которые, говоря простым языком, трансформируют солнечную энергию в электрическую. Чаще всего это поликристаллические или монокристаллические кремниевые батареи. Разница в КПД и технологии производства.

Принцип работы солнечной электростанции заключается в последовательном взаимодействии ряда элементов единой сети. Соединяются элементы в солнечной панели последовательно и параллельно. Делается это для того, чтобы увеличить мощность, напряжение и ток. Плюс, такое соединение обезопасит при выходе из строя одного элемента — остальные детали цепи.

• Также батареи пронизаны так называемыми диодами. Принцип действия солнечных батарей основывается именно на этих элементах. Такие диоды предохраняют панель во время частичного затемнения. Во время таких затемнений, батарея не прерывает свою работу, но вырабатывает на четверть меньшую мощность. Суть в том, что диоды не дают перегревать солнечные элементы, которые во время затемнения начинают потреблять электричество вместо того, чтобы вырабатывать.

• Дальше электроэнергия накапливается в аккумуляторах. А после уже отдаётся в систему. Важный момент в том, чтобы количество параллельно и последовательно соединённых элементов в солнечной панели, было расчитано таким образом, чтобы напряжение, которое подведено к аккумуляторам, превышало напряжение самого аккумулятора. Даже с учётом просадки. При этом нагрузочный ток солнечной батареи должен обеспечивать достаточное количество зарядного тока. Этот параметр обязательно учитывается при .

• Ещё один важный фактор в работе солнечных панелей — полезная мощность. Именно этот показатель отражает экономичность использования для пользователя. Высчитывается такая мощность исходя из напряжения и выходного тока установки. А эти показатели в свою очередь зависят от силы солнечного освещения, которое попадает непосредственно на панель. Кстати, слишком большие температуры для работы солнечных батарей не полезны. Ведь при интенсивном нагревании солнцем, у электровырабатывающих элементов падает так называемая электродвижущая сила. Тем не менее, чем ярче освещения от солнца, тем больший ток вырабатывается.

Теперь немного формул о принципе работы солнечных батарей.

Как работает солнечная панель? К примеру, солнечная батарея замкнута на нагрузку с измерянным сопротивлением (Rн) . В цепи, следовательно, появляется ток (I) . При этом показатель I формируется в прямой зависимости от качества преобразователя в цепи, силой солнечного освещения и сопротивления. Далее разберём Uн . Uн — это напряжение, которое создаётся на зажимах солнечных батарей. В итоге зная эти показатели, мы можем высчитать мощность, которая появляется в нагрузке на установку: Pн = IнUн

Однако оптимальное сопротивление у каждой панели своё и зависит оно от уровня КПД.

• При пасмурной погоде заряд аккумуляторов из-за меньшей выработки панелями электричества, естественно снижается. Во время такого процесса, электроэнергию принимает приёмник. Другими словами, аккумуляторы работают всегда либо на заряд либо на разряд. Этот механизм взаимодействия управляется контроллером.

• Чаще всего работа аккумуляторов в цепи устроена таким образом, что они очень быстро заряжаются до 80-90%, а потом долго набирают остаток заряда. На сегодняшний день самые эффективные для использования в системах альтернативного снабжения электроэнергией батареи — гелевые. Такие батареи не требуют обслуживания и неприхотливы в условиях работы. При этом срок службы обычно достигает 10 лет.

Контроллер, резистор и инвертор

• Контроллер необходим для подключения аккумуляторов в сеть. Он контролирует заряд.

• Резистор поглощает избыточную мощность выработки электроэнергии.

• Инвертор необходим для нормального снабжения электросети, кроме тех случаев, когда необходимо запитать приёмники, которые работают от постоянного напряжения, а не от переменного.

Конечно, разобраться во всех тонкостях работы сложно. Но надеемся, Вы найдёте ответы на страничках нашего сайта. Более наглядно работу солнечных элементов можно понять из графических схем.

Альтернативные источники энергии, преобразующие солнечный свет в электричество, становятся все более востребованными в быту и промышленности. Они используются в авиации, космических разработках, электронике, для создания экологически безопасного транспорта. Но самой перспективной считается отрасль энергообеспечения зданий: питание бытовых приборов и системы отопления дома, нагрев горячей воды. К преимуществам относят: независимость от времени года и коммунальных служб, возможность аккумулирования запаса энергии, надежность и долгий срок службы. Но для достижения максимального эффекта от применения важно знать принцип действия батарей и соблюдать условия их монтажа и эксплуатации.

Фотоэлектрические преобразователи или солнечные аккумулирующие батареи представляют собой пластину со свойствами полупроводника, вырабатывающую постоянный ток при попадании на нее световых лучей. Основой может быть кремний (наиболее распространенный вид) и его соединения с медью, галлием, кадмием, индием, амфорные, органические или химические фотоэлементы, полимерная пленка.

Каждый материал имеет свой коэффициент ФЭП солнечных лучей (от 5 до 30 %) и, как следствие - вырабатывает определенную мощность при равной интенсивности светового потока. Многое зависит от площади батареи, одиночный кристалл полупроводника производит незначительное количество энергии, в среднем для получения 0,15 кВт потребуется 1 м2 панели. Исключение составляют инновационные многослойные полимерные соединения (монокристаллы), их КПД достигает 30 %, но эта технология еще недоступна рядовому потребителю.

Помимо пластины, в схему солнечной батареи входят вспомогательные приборы (для передачи, распределения и аккумулирования энергии):

• Инвертор или преобразователь постоянного тока.
• Накопитель для бесперебойной работы системы в ночное время или в пасмурную погоду.
• Стабилизатор напряжения.
• Контроллер для отслеживания заряда.

В зависимости от площади используются миниатюрные маломощные батареи (до 10 Вт) либо большие стационарные панели. Первые относятся к переносным (популярны для зарядки ноутбука, калькулятора, мобильных устройств). Вторые чаще служат для энергоснабжения и отопления дома, размещаются обычно на крыше. Так как мощность батарей полностью пропорциональна солнечной интенсивности, стало целесообразным размещать отслеживающие панели (изменяющие угол расположения, в зависимости от движения Солнца). Толщина вариантов из полупроводника незначительна (от 10 мкм до 10 см), но с учетом вспомогательных приборов модули весят больше, что учитывается при просчете нагрузки на стропила и поверхность крыши.

Принцип фотоэлектрического преобразования

Для того чтобы понять как работает солнечная батарея, следует вспомнить школьный курс физики. При попадании света на пластину из двух слоев полупроводников разной проводимости возникает эффект p-n перехода, электроны из катода покидают свои атомы и захватываются на уровне анода. При подключении в схему нагрузки (аккумулятора) они отдают свою положительно заряженную энергию и возвращаются в n-слой. Это явление более известно как «внешний фотоэффект», а двухслойная пластина как «фотоэлемент». Чаще всего применяется один и тот же материал: базовый полупроводник с определенным типом проводимости покрывается слоем с противоположным зарядом, но с высокой концентрацией легирующих примесей.

Этот принцип работы солнечных батарей неизменен с момента открытия эффекта; именно на границе зон осуществляется электронно-дырочный переход. При воздействии солнечных лучей в обоих направлениях проходит движение разнозаряженных частиц, при замыкании контура ФЭП они осуществляют работу на нагрузку. Для полноценной передачи (сбора и отвода электронов) используется контактная система (внешняя сторона батареи напоминает сетку или гребенку, а тыльная обычно сплошная). Чем выше площадь p-n перехода и коэффициент фотоэлектрического преобразования полупроводника, тем большую мощность производит устройство. Физическое явление и принцип работы не зависят от температуры воздуха, важна лишь интенсивность солнечного света. Как следствие, на величину КПД панели оказывают влияние погодные условия, климат, сезон, географическая широта.

Способы повысить эффективность батареи

Даже в средней полосе России установка солнечных аккумуляторов окупается за 3–5 лет, ведь лучи абсолютно бесплатны и доступны круглый год. Но для полноценного отопления дома в 100 м2 полезной площади потребуется около 30 м2 панелей. Для усиления принципа фотоэффекта рекомендуется провести следующие работы:

1. Разместить батареи на южной стороне под углом не менее 30°.
2. Не монтировать солнечные панели под тенью высоких деревьев.
3. Раз в 2 года очищать поверхность от грязи.
4. Установить отслеживающие солнечный свет системы.

Полностью отказываться от внешнего энергоснабжения не стоит, даже современные комплексы не способны аккумулировать достаточное количество энергии для полноценного обеспечения здания при длительной непогоде. Лучше всего использовать их как часть комбинированной системы.

Сегодня у всех на слуху понятие альтернативной энергетики. Уже ни для кого не секрет, что запасы нефти, газа и других видов топлива на Земле не безграничны, поэтому ученые и инженеры продолжают искать возможности эффективного применения возобновляемых ресурсов для получения столь необходимого всем электричества. В последние годы солнечные элементы перестали быть экзотикой, используемой только в космических аппаратах, они получили широкое распространение для электроснабжения зданий, автомобилей, автономного питания мелкой бытовой техники и электроники. Поскольку Солнце – огромный источник энергии, который доступен каждому, полезно знать, как преобразовать свет в электричество или как работает солнечная батарея.

Принцип работы солнечной батареи

Это устройство, называемое также солнечной панелью, состоит из совокупности соединенных определенным способом фотоэлектрических преобразователей, в состав которых входят два слоя полупроводников с различными типами проводимости – p и n. В качестве вещества, обладающего такими свойствами, чаще всего используется кремний с определенными примесями. При добавлении к нему фосфора в полученной структуре возникает избыток электронов (отрицательных зарядов) и образуется полупроводник n-типа, а при подмешивании бора – p-типа, характеризуемый недостатком электронов или наличием дырок. Если разместить эти слои между двумя электродами так, как показано на картинке, и обеспечить к верхнему доступ света, получится фотоэлектрический преобразователь.

При освещении элемента им поглощается часть падающей энергии, в результате чего происходит дополнительная генерация дырок и электронов. Электрическим полем, существующим в p-n переходе, первые перемещаются в p-область, а вторые – в n-область. При этом на нижнем электроде скапливаются положительные заряды, на верхнем – отрицательные, то есть возникает разность потенциалов – постоянное напряжение U. Таким образом, фотоэлектрический преобразователь работает как источник электродвижущей силы (ЭДС) – небольшая батарейка. Если к ней подсоединить нагрузку, в цепи возникнет ток I, значение которого будет зависеть от вида фотоэлемента, его размеров, интенсивности солнечного излучения и сопротивления подключенных потребителей. ЭДС батареи снижается с повышением температуры приблизительно на 0,4%/°С. Поэтому для эффективной и долговременной работы панель необходимо охлаждать с помощью вентиляторов или водяных систем.

Важнейшим параметром солнечного источника энергии является мощность P=UI. Естественно, что ток и напряжение, получаемые в результате работы одного фотоэлемента, невелики, поэтому в батарее они комбинируются определенным образом для увеличения указанных показателей. Если соединить преобразователи последовательно, то общее выходное напряжение будет пропорционально их количеству. Параллельное подключение отдельных элементов приводит к увеличению тока. Сочетая определенным образом оба типа соединений так, как показано на картинке, получают требуемые выходные параметры батареи, а следовательно, и ее мощность.

При освещении батареи не вся энергия солнечного излучения преобразуется в электричество – часть ее отражается, а также тратится на нагрев элементов. Большинство выпускаемых промышленностью фотоэлектрических панелей имеют эффективность 9-24%. Также важно знать, как работает солнечная батарея в условиях, когда некоторые из элементов затемнены. В данном случае преобразователи, на которые не попадает солнечный свет, будут превращаться в потребителей энергии и нагреваться. Поэтому группы фотоэлементов шунтируются низкоомными диодами, препятствующими прохождению тока через затемненные компоненты батареи. Панель при этом будет функционировать с меньшей мощностью.

Преобразование энергии, полученной с помощью солнечных батарей

Фотоэлектрические элементы вырабатывают постоянное напряжение, но многие виды аппаратуры питаются переменным, что требует наличия соответствующих преобразователей. Кроме того, солнечные батареи производят электричество днем, а его потребление происходит круглосуточно, следовательно, необходимы дополнительные компоненты, которые будут запасать и распределять энергию. Рассмотрим пример системы электроснабжения здания с использованием солнечных источников – небольшой гелиоэлектростанции, структура которой представлена на картинке.

Эта схема может функционировать в зданиях, где присутствует электросеть, а солнечная батарея используется для экономии потребления энергии из нее, а также в качестве резервного источника при отключении основного. Общий принцип работы системы такой: постоянное напряжение, вырабатываемое фотоэлектрическими преобразователями, поступает на инвертор, преобразующий его в переменное, и на аккумуляторы, которые, заряжаясь под управлением специального контроллера, накапливают энергию.

В данном случае приборы в доме подразделяются на резервируемые – те, для которых отключение электричества может привести к нежелательным последствиям (холодильник, системы видеонаблюдения, сигнализации), и нерезервируемые – все остальные. При отключении сети инвертор питает резервируемые устройства от солнечной батареи, а если энергии от нее недостаточно, то от аккумуляторов. Когда сеть подключена, электричество, вырабатываемое панелью, в первую очередь поступает на их зарядку. А когда в этом уже нет необходимости, инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, от которого питается нагрузка. Тем самым экономится потребление из основного источника.

Солнечные батареи могут использоваться без рассмотренной дополнительной аппаратуры для питания или зарядки портативной электронной техники, работающей от постоянного напряжения, например, калькуляторов, плееров, фонариков, мобильных устройств.

Помимо электричества, из энергии света можно непосредственно получать тепло. Для этого применяются солнечные коллекторы. Учитывая, что сегодня прослеживаются тенденции снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей и повышения их эффективности, в целом гелиоэнергетика – перспективное направление, позволяющее бесшумным и экологически чистым способом получать бесплатное электричество, а также тепло для отопления и горячего водоснабжения.