Солнечные батареи краткое описание. Принцип работы: Солнечные батареи

10.04.2019

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой системы

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

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

Мы часто пишем про различные виды альтернативной энергетики, в том числе про солнечную. Этой статьей начинается цикл статей про принципы работы различных устройств работающих на возобновляемой энергии. И первое что будет рассмотрено - солнечные батареи. Солнечная энергия в последнее время используется повсюду: в естественном освещении помещений, нагрева воды, сушки и иногда даже в приготовлении пищи. Однако самым важным использованием энергии солнца является, пожалуй, генерация электричества. И главный элемент такой генерации - солнечная батарея!

Строение солнечных батарей

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.

Принцип работы

Принцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы.

Строение фотоэлемента

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода - p-слой (дырочная проводимость).

Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» - атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются.

На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.

Физический механизм действия

Когда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток.

Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

Из чего делают фотоэлементы?

Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты - около 1% КПД.

Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Компания нуждалась в источнике электроэнергии для телефонных станцией, и, можно сказать, была первой компанией, которая использовала альтернативный источник на солнечной энергии.

Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) - второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема - его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.

Солнечные батареи (Сборки)

Однако разность потенциалов, создаваемая одним фотоэлементов, мала для промышленного применения. Чтобы иметь возможность использовать солнечные элементы для электропитания устройств, их соединяют вместе. Тем самым получаются солнечные батарей (солнечные сборки, солнечные модули). Кроме того, фотоэлементы покрывают различными защитными слоями из стекла, пластмассы, различных пленок. Это делают для того, чтобы защитить хрупкий элемент.

Основной рабочей характеристикой солнечной батареи является пиковая мощность, которую выражают в Ваттах (Вт, W). Эта характеристика показывает выходную мощность батареи в оптимальных условиях: солнечном излучении 1 кВт/м 2 , температуре окружающей среды 25 o C, солнечном спектре шириной 45 o (АМ1,5). В обычных условиях достичь таких показателей удается крайне редко, освещенность ниже, а модуль нагревается выше (до 60-70 градусов).

Соединяя фотоэлементы последовательно мы повышаем разность потенциалов, соединяя параллельно - ток. Таким образом комбинируя соединения можно добиться требуемых параметров по току и напряжению, а следовательно и по мощности. Кроме того, последовательно или параллельно можно соединять не только фотоэлементы в рамках одной солнечной батареи, но и солнечные батареи в целом.

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.

Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.

Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?

Основные принципы

Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.

Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.

Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.

Панель солнечной батареи

©depositphotos.com

Кремниевые полупроводники

Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.

Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.

Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.

У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.

Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.

Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.

Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.

Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».

Устройство солнечной батареи

Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.

Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.

Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.

Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.

К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.

Самое большое в мире судно на солнечных батареях PlanetSolar

Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.

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.