Изобретение солнечной батареи кратко

Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

Солнечная батарея — это источник постоянного электрического тока от преобразованной энергии солнца при помощи фотоэлементов.

Фотоэлементы — это преобразователи энергии фотонов в ток.

Фотоны — это элементарная частица, не имеющая массы покоя.

Солнечная батарея для обеспечения бытовых потребностей в электроэнергии

История создания солнечной батареи

В 1839 году Антуаном – Сезаром была представлена батарея, которая преобразовывала энергию Солнца в ток.

В 1877 году Адамс и Дей открыли выработку электричества селеном при действии на него солнечных лучей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн описал фотоэффект.

В 1954 году был создан элемент солнечной батареи, выполненной из кремния Гордоном Пирсоном, Кэпом Фуллером и Дэррилом Чапиным.

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью.

Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании.

Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;

2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;

3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;

4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;

5. Из органических соединений;

6. Из арсенида галлия;

7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте.

Солнечный свет (лучи), попадая на фотоэлектрический слой, полупроводниковых пластин приводит к высвобождению излишних электронов из обоих слоёв (n и p). На место оставшееся после освобождения электронов в одном слое встают освобожденные электроны другого слоя. Таким образом, происходит постоянное передвижение электронов из одного слоя в другой через p-n переход.

В результате этого на внешней цепи начинает появляться напряжение. Слой p становится положительно заряженным, а слой n – отрицательно.

Аккумулятор в ходе этих действий начинает набирать заряд.

Контролёр заряда подключает солнечную батарею, если заряд аккумулятора низкий. И выключает её, в случае, когда аккумулятор заряжен. Также контролер не даёт течь обратному току в то время, когда отсутствует солнце.

Трансформатор прямого тока в переменный необходим для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 220 В. Он бывает двух видов:

• Сетевой тип инверторов. Обеспечивает работу только в дневное время суток и тех приборов, которые присоединены к нему самому;
• Автономный тип. Применяется в устройстве элементов солнечной батареи, с наличием аккумуляторной батареи. Они предназначены для работы систем бесперебойного питания.

Это Интересно! Солнечной энергии, выделяемой за 1 секунду, достаточно для удовлетворения потребностей всего человечества на полмиллиона лет!

Преимущества и недостатки использования солнечной батареи

К преимуществам использования солнечной батареи относят:

1. Экономическую выгоду. Электроэнергия, поставляемая от энергии солнца, бесплатная;
2. Экологическая безопасность. Работа солнечной батареи не связана с выбросом вредных веществ в атмосферу;
3. Установка системы солнечной батареи является быстро окупаемой;
4. Простота эксплуатации и установки.

К недостаткам относят:

• Дороговизна установки;
• Маленькие фотоэлементы не обеспечивают всех потребностей в электроэнергии одной семьи;
• Эффективность их работы зависит от многих факторов, таких как:
  1. Погодных условий;
  2. Температуры на улице и степени нагрева солнечной батареи;
  3. Грамотного выбора всех комплектующих для обеспечения требуемых параметров;
  4. Мощности потока света;
  5. Ориентации солнечной батареи к положению Солнца;
  6. Чистоты панелей.

Применение солнечной батареи

Постепенно происходит внедрение солнечной батареи во многие отрасли жизнедеятельности человека.

Например, солнечные батареи используются:

• В автомобилестроении;
• В промышленных объектах;
• В сельском хозяйстве;
• На военно-космических объектах;
• В бытовых нуждах;

Это Интересно! Одним из первых вариантов появления прибора с солнечной батареей был калькулятор, способный работать только при попадании на его фотоэлемент солнечных лучей.

Сейчас солнечными батареями оснащают некоторые модели походных рюкзаков. Они служат источником света, электричества в условиях отсутствия цивилизации.

Использование солнечной батареи как источника электроэнергии интересует все большее количество людей, причем не только в бытовых нуждах, но и для обеспечения электроэнергией предприятий. Для того чтобы эта система была эффективной необходимо знать ее устройство и принцип работы. Это поможет подобрать компоненты в зависимости от желаемой мощности установки.

Источник

Кто и когда создал первые солнечные батареи?

Точкой отсчета развития гелио энергетики принято считать середину 20 века. Однако вопрос «кто и когда изобрел солнечные батареи» не имеет однозначного ответа. К созданию элементов, способных преобразовывать излучение в электрический ток, приложили руку многие великие ученые прошлого. А современному многообразию сотен разновидностей солнечных панелей мы обязаны командам физиков и инженеров всего мира.

• 1839: Явление фотогальванического эффекта

Александр Беккерель, изучавший влияние света на электролиты, в 1839 совершенно случайно обнаружил, что под воздействием излучения в растворе возникает электрическое напряжение. Французский физик в третьем поколении не был тем, кто придумал солнечные панели. Но именно этот эффект, впоследствии названный фотовольтаическим, положил начало будущей гелио индустрии.

• 1873: Обнаружена фотопроводимость селена

Только спустя 44 года британский инженер Уиллоби Смит смог пройти путь от жидкого электролита до твердого селена. Кусочек этого материала стал первой фотоэлектрической ячейкой, которая при поглощении излучения становилась электропроводящей. На протяжении следующих трех лет эксперименты над селеном проводили физики Уилл Адамс и Рич Дэй. В 1876 они окончательно поняли, что солнечная энергия может собираться, преобразовываться и сохранятся. Правда, пока это была только теория.

Александр Беккерель, Александр Столетов, Альберт Эйнштейн

• 1883: Первый в мире работающий фотоэлемент

По-настоящему первым из тех, кто открыл для мира солнечные батареи, стал нью-йоркский изобретатель Чарльз Фритц. Его «настольная» электростанция работала от крохотной позолоченной селеновой пластики, и обладала КПД 1,5%.

• 1887: Объяснение природы фотоэлектрического эффекта

Далее над удивительным свойством фотонов передавать свою энергию электронам работали многие известные физики. Генриху Герцу даже удалось обнаружить, что максимальной генерации можно добиться не от видимого, а от ультрафиолетового излучения. Но только великий Альберт Эйнштейн сумел объяснить саму природу фотоэлектрического эффекта. За что позднее был справедливо удостоен Нобелевской премии.

• 1953: Открытие полупроводниковых возможностей кремния

Более полувека после работ Эйнштейна ученым и изобретателям не удавалось повысить эффективность экспериментальных гелио установок. Причиной тому были полупроводниковые ограничения селена и необходимость использовать в элементах золото. Только в 1953 коллективу лаборатории Белла удалось найти другой, более дешевый, практичный и широко распространенный материал. Этим материалом стал кремний, и первая же система на его основе показала КПД 6%.

• 1956: Старт коммерческого изготовления панелей

Первыми, кто создал солнечные панели современного образца и вывел их на коммерческий рынок, стала компания Western Electric. Несмотря на все еще высокую стоимость оборудования, покупатели находились. Наиболее известная приобретенная солнечная электростанция тех времен – набор гелио панелей, установленных на крыше Белого дома по указанию президента Кеннеди.

• 1958: Фотоэлектрические элементы в космосе

Отдельную благодарность следует вынести тем, кто придумал и построил солнечные батареи для космических аппаратов. Никаким другим путем стабильно получать электроэнергию для оборудования за пределами земли на тот момент было невозможно. И сейчас не существует ни одного стационарного спутника, космической станции или корабля, которые не использовали бы фотоэлектрические преобразователи.

• 1971 — 1979: Создание экономически выгодных панелей

Следующий толчок работе над созданием более эффективных гелио панелей принесло резкое повышение цен на нефть в 70-х годах прошлого века. Удивительно, но «спасибо» за финансирование таких разработок следует сказать крупнейшей нефтяной компании мира Exxon Corporation. Именно она оказалась той, кто открыл солнечные батареи нового поколения для потребителей, за счет падения цен за ватт мощности до $30. Вдесятеро дешевле, чем обошлась фотовольтаика для Белого дома всего десятилетием ранее.

• 1981: Кто создатель первой солнечной электростанции башенного типа?

Следующее десятилетие стало временем появления крупных гелио станций башенного типа. Термодинамическая электростанция Solar Two в пустыне Мохава (США) начала работу в 1981, постепенно увеличивая количество зеркал до 1999 года.

Годом позже тем же концерном Arco Solar был построен калифорнийский солнечный парк, способный генерировать более 1 МВт энергии в час.

В 1983 компания запустила гигантскую ферму из сотни тысяч солнечных батарей общей мощностью 5,2 МВт.

• 1994: Первые солнечные батареи с КПД 30%

Американская Национальная лаборатория возобновляемой энергии стала той, кто впервые придумал солнечные батареи на редкоземельных элементах вместо кремния. Сейчас они известны как CIGS, или комбинация фосфидов и арсенидов германия, индия и галлия. КПД первых же образцов составил 30%. Современные экспериментальные ячейки приближаются к показателю 45%.

• 1995: Кто и когда изобрел интегрированные солнечные панели?

Имя этого человека – Томас Фалуджи. Патент на гелио батареи, интегрированные в специальные выдвигающиеся навесы, был подан в 1995. Сегодня интеграцией фотовольтаики в любые конструкции и предметы никого не удивишь. Она присутствует в черепице для домов Илона Маска, автомобильных трейлерах, китайских копеечных фонарях и даже одежде.

• 2015: Фотоэлектрические пленки, напечатанные на принтере

Первые промышленные образцы были представлены в 2015 году. И сегодня все, кто создает солнечные батареи ближайшего будущего, ориентируются на тонкопленочные технологии. Панели третьего поколения не толще бумаги, печатаются на 3D-принтерах и уже сейчас достигают эффективности более 20%. Они дешевы, экологически безопасны, универсальны, могут быстро изготавливаться целыми рулонами, и со временем могут полностью заменить тяжелые и дорогостоящие кремниевые модули.

Источник

История разработки и применения солнечных батарей

Использование альтернативных источников электрической энергии сегодня является довольно популярным. Многие люди устанавливают солнечные батареи, позволяющие отапливать помещения и нагревать воду, используя энергию Солнца. Такие устройства появились довольно давно. Об истории их создания и применения вы узнаете из настоящей статьи.

Первые разработки

Над возможностью применения солнечной энергии для своих нужд задумывались ещё древние люди. Мы можем судить о наличии попыток её использования по легендам, мифам и некоторым сохранившимся писаниям. Так, например, одна из легенд гласит, что Архимеду удалось уничтожить флот врага, используя систему зажигательных зеркал. Около трёх тысяч лет назад на территории современной Турции для отопления султанского двора использовали воду, которую подогревали с помощью энергии Солнца.

Но настоящие попытки научного исследования энергии солнца, а также её применения в быту начали появляться в восемнадцатом веке. Возникновение первых солнечных отопительных приборов произошло во Франции. Но наличие взаимосвязи между светом и электрической энергией впервые обнаружил Генрих Герц. Именно этот учёный смог установить взаимосвязь между ультрафиолетом и возникновением разряда между двумя элементами, служащими проводниками электроэнергии. Ранее подобными исследования занимался Эдмон Беккерель. Именно он при работе с электролитами обнаружил фотоэлектрический эффект. Произошло это в 1839 году. Спустя 44 года английский инженер Уиллоуби Смит выявил наличие фотопроводящих свойств у селена.

Прообраз первого фотоэлемента был создан российским учёным Александром Столетовым. Но исследования на этом не прекращались. И уже в прошлом веке известный учёный Альберт Эйнштейн представил миру такое явление, как фотоэффект. Его сущность заключается в отрывании заряженных частиц от поверхности одного вещества под воздействием иного. Впоследствии в мире стали появляться фотоэлементы на основе селена, талия, комбинации меди и талия, а также кремния. Именно последнее вещество позволило получить фотоэлементы, КПД которых был намного больше созданных ранее.

Первая солнечная батарея появилась в пятьдесят третьем году прошлого столетия. С момента открытия фотоэлектрического эффекта прошло более века прежде, чем мир увидел первый солнечный элемент.

В СССР разработками в данной сфере занимались, в частности, специалисты из Физико-технического института Академии Наук под руководством известного академика А. Ф. Иоффе. Именно его ученики в 1938 году смогли создать первый в своём роде фотоэлемент, коэффициент полезного действия которого составлял всего один процент.

Исследования в данной отрасли ведутся по сей день. В 2003 году были созданы особые фотоэлектрические модели со стационарными концентраторами. 2009 год ознаменовался, в частности, включением в список лучших изобретение патента на полупроводниковый фотоэлектрический генератор. Новым матричным элементам присущ КПД, составляющий примерно двадцать пять процентов.

Современное устройство — это особая система, состоящая из нескольких взаимосвязанных элементов. Благодаря специфической структуре, а также использованию принципа фотоэффекта, солнечные батареи обладают уникальной способностью преобразования света, исходящего от Солнца, в электрическую энергию.

Первые устройства применялись в отдалённых местностях (в частности, в селе) с целью обеспечения питания систем телефонной связи. Появились они благодаря французу — Огюсту Мушо, который в конце девятнадцатого века представил особое устройство, способное фокусировать лучи на паровом котле посредством зеркал. Оно обладало способностью приводить в действие печатную машину, которая выдавала около пятисот экземпляров газеты в течение одного часа. Прошло всего несколько лет — и в Соединённых Штатах Америки появился похожий аппарат, но его мощность составляла уже пятнадцать лошадиных сил.

В семидесятых годах прошлого века первые дешёвые солнечные батареи были выпущены с конвейера нефтяной компании Exxon Corporation. Это событие поспособствовало снижению стоимости солнечной энергии в пять раз. Если раньше один Ватт оценивался в 100 долларов США, то после этого его цена составила всего 20 долларов. Упомянутая компания начала применять солнечные батареи на буровых установках (как газовых, так и нефтяных).

В апреле 2015 года Китай сделал предложение ВИЭСХ о покупке кремниевых солнечных систем. Их стоимость в зависимости от КПД варьируется в пределах 0,28-0,32 долларов США, Безусловно, стоимость солнечной энергии в Европе на сегодняшний день гораздо выше, но она всё же не сравнима с той, что была изначально. Всего за полвека цена на солнечные модули снизилась в две с половиной тысячи раз. Например, в Китае сегодня можно приобрести инвертор мощностью в сто киловатт за семь тысяч долларов США.

Система, способная преобразовывать солнечную энергию в электричество, обязана состоять из:

• Специального материала-полупроводника, в качестве которого может выступать моно- или поликристаллический кремний в совокупности с другими химическими элементами.
• Тонкого слоя элемента, назначение которого заключается в создании противодействия движению электронов.
• Источника электропитания.
• Аккумулятора.
• Контроллера.
• Инвертора-преобразователя.
• Стабилизатора напряжения.

Именно таким образом выглядит современная конструкция системы солнечных батарей.

Использование солнечных батарей в различных странах

Всего несколько таких устройств позволяют снабдить электрической энергией небольшую деревню. В тех странах, где Солнце является особенно активным, уже давно функционируют солнечные электростанции. Речь идёт об Испании и Индии, а также Саудовской Аравии и южной части Соединённых Штатов Америки.

Современные учёные уже работают над вопросом возведения солнечных электростанций за пределами атмосферы. Это позволит более эффективно использовать солнечную энергию, поскольку там она не рассеивается. Специалисты предлагают переводить излучение в микроволны и транспортировать на Землю.

Сегодня многие страны задумываются о производстве и применении солнечной энергии. Лидерство в этой отрасли принадлежит трём странам. Это Соединённые Штаты Америки, Германия и Япония. Но данное направление стремительно развивается и в Российской Федерации. Наибольшее количество установок по производству солнечной энергии на сегодняшний день построено в Краснодарском крае. Также в списке присутствуют Республика Дагестан, Ставропольский и Хабаровский край, Бурятия и Костромская область.

Производство солнечных батарей сегодня увеличивается с каждым днём. Наибольшее их количество выпускается, как это неудивительно, в Китае, где производится почти треть продукции всего мирового рынка. Большая её часть отправляется на экспорт в европейские страны, а также Соединённые Штаты Америки. В последних, к слову, потребляют больше всего солнечной энергии, а производят всего около шести процентов от общемирового количества.

В Японии и Германии производят немного меньше солнечной энергии, чем в Китае. На четвёртом месте в общемировом рейтинге находится Тайвань.

Использование солнечной энергии для бытовых нужд

Если говорить о частном домовладении, то сегодня практически каждый желающий может установить на крыше своего строения солнечные панели. Они могут служить для отопления помещений, а также подогрева воды. С помощью специалистов можно грамотно организовать такую систему и с успехом использовать её.

Также солнечные батареи начинают применять в автомобилестроении. Они являются основой столь популярного на сегодняшний день экологически безопасного транспорта. Современный автомобиль, работающий от солнечной батареи, может развивать скорость до 135 километров в час.

Солнечные батареи также используются в космонавтике, где снабжают электричеством всех систем космических станций и позволяют обеспечить бесперебойную работу всех механизмов.

Исходя из всего вышесказанного, можно заметить, что за солнечными батареями — будущее. Если вы хотите получить экономичный и экологически чистый источник электрической энергии, установите солнечную батарею.

Источник