Применение солнечных батарей доклад

Применение солнечных батарей

Солнечная батарея — это группа фотоэлементов, вырабатывающая электрический ток под воздействием солнечных лучей.

Схема солнечной фотоэлектрической системы.

Внешняя простота конструкции очень привлекательна по сравнению с турбинами гидроэлектростанций и атомными реакторами, но больших электрических мощностей, чем получаемые на ГЭС и АЭС, использование солнечных батарей пока дать не может.

Солнечный свет — основа тепла и жизни на Земле, своим обилием и легкой доступностью привлекал пытливые умы всех времен. Тысячи лет назад великий Архимед с помощью вогнутых отполированных поверхностей бронзовых щитов сфокусировал лучи солнца и поджег деревянную эскадру римлян. Солнечные коллекторы — собиратели солнечного тепла — популярны и сегодня при использовании в летних душах на дачах и садовых участках.

Схема водонагревательной гелиосистемы.

Солнечная энергия для получения электричества стала применяться только в середине прошлого века. Открытие и использование внутреннего фотоэффекта в полупроводниковых фотоэлементах, развитие технологии их производства позволили создать надежные конструкции солнечных батарей.

В результате падения световых лучей на поверхность полупроводникового фотоэлемента в последнем возникает направленный поток электронов, который и называется электрическим током. Величина его измеряется в микроамперах. Электрическая мощность одного фотоэлемента очень маленькая, поэтому их соединяют в блоки. Основными недостатками, тормозящими широкое использование таких батарей, являются:

• невысокая электрическая мощность;
• высокая стоимость производства.

Малая мощность солнечных батарей обусловлена еще тем, что большая часть падающего на них светового потока рассеивается, отражается или поглощается без выработки электрического тока (потери — до 75%). Отсюда низкие мощности фотоэлементов и высокая стоимость их электроэнергии.

Схема принципа работы и устройства солнечной батареи.

Основным материалом для производства полупроводниковых фотоэлементов является кристаллический кремний. Морские и речные пляжи переполнены песком — ярким представителем кремния, но содержат всевозможные примеси. Технология очистки природного кремния — очень дорогостоящее мероприятие, что сказывается на стоимости фотоэлементов.

Солнечную энергию активно стали использовать в космосе. Солнечные батареи в космических аппаратах — основа для обеспечения питания всей бортовой космической техники. В быту применение фотоэлементов встречается чаще всего в калькуляторах на солнечных батареях. Совершенствование технологий производства кристаллического кремния привело к созданию солнечных батарей на фотоэлементах нового поколения.

Применение солнечных батарей в быту

Схема солнечных модулей.

Бытовое использование фотоэлементов, объединенных в блоки для создания достаточной электрической мощности, находит применение в качестве резервных источников энергии для самых нужных бытовых приборов.

Дачи и загородные дома в условиях нашей действительности весьма уязвимы для временных отключений электроэнергии. Даже элитные участки, застроенные роскошными зданиями, не застрахованы от этих явлений. Отсутствие, хотя бы временное, возможности использования привычной бытовой техники: холодильника, микроволновой печи, тостера, телевизора — создает бытовые неудобства и раздражает.

Солнечные батареи устраняют зависимость от временных отключений электроэнергии и создают ощущение свободы и комфорта. За дополнительный комфорт приходится платить, так как применение таких батарей возможно только в комплекте со специальными приборами:

• аккумуляторы для накопления электроэнергии, выработанной фотоэлементами батареи;
• контроллер для регулировки оптимального расходования накопленной электроэнергии;
• инвертор для питания бытовых приборов.

Подключение и обслуживание

Правильно подключить и использовать солнечную батарею — такая задача встает сразу же после приобретения этого недешевого оборудования. Вот самый минимальный перечень мероприятий по организации автономного электроснабжения:

• выбрать необходимое число модулей из фотоэлементов для сборки батарей;
• выбрать способ подключения;
• предусмотреть установку диодного шунта от возможного затенения фотоэлементов;
• установить регулятор зарядки аккумуляторов;
• установить контроллер для всей системы фотоэлементов.

Специфика работ требует привлечения специалиста, чтобы правильно подключить батарею.

Обслуживание солнечных батарей несложно, но требует внимания. Фотоэлемент, точнее, кристаллический полупроводник, долговечен и неприхотлив к изменению внешних условий. Элементы конструкции фотоэлектрических модулей и батарей в период эксплуатации изменяют свои свойства:

• загрязнение поверхностей фотоэлементов снижает их эффективность;
• защитная пленка снижает со временем светопропускание на 10-20%, что требует регулировки в электрических цепях;
• перегрев контроллера и инвертора нарушает электрические характеристики системы;
• изоляция подводящих проводов разрушается от влаги и перепада температуры.

Пользоваться неисправной батареей категорически запрещено.

Перспективы развития использования солнечной энергии

Схема электросети при использовании солнечных батарей.

Установка на крышах домов в городах солнечных преобразователей очень перспективна для экономии электроэнергии, но требует государственной поддержки. Например, бытовым потребителям фотоэлектрической энергии в Германии субсидируют коммунальные платежи.

В государствах, где солнечные дни преобладают (Испания, Израиль), разрабатываются проекты жилых и промышленных зданий с солнечными батареями на крыше. Сложность технологии производства и высокая стоимость фотоэлементов не позволяют добиться массового производства.

Электромобили сегодня реально эксплуатируются, но в небольших масштабах из-за необходимости частых подзарядок аккумуляторов. Зарядка автомобильных аккумуляторов солнечными батареями — это прорыв в автомобильной промышленности по созданию конкурентоспособных электромобилей.

По долгосрочным техническим прогнозам к середине 21 века, себестоимость электроэнергии фотоэлементов приблизится к себестоимости ее типовых поставщиков. С точки зрения экологии, автономные мощные источники электроэнергии в виде солнечных батарей получат широкое распространение.

Источник

Солнечные батареи. Виды и устройство. Работа и применение

В последнее время активно развиваются технологии получения альтернативной энергии. Это солнечные батареи (СБ), ветровые станции и ряд иных устройств. Особенно перспективными считаются СБ или так называемые фотоэлектрические панели, ведь с учетом почти вечной жизни солнца такая энергия является неисчерпаемой. Несмотря на их пока что сравнительно высокую стоимость, они обеспечивают получение бесплатной и экологически чистой энергии. Тем не менее, цены на СБ год из года снижаются, что свидетельствует о больших перспективах их повсеместного внедрения.

Устройство солнечных батарей

Солнечная батарея представляет систему полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток с применением принципа фотоэффекта.

1 — Контроллер
2 — Батарея
3 — Инвертор
4 — Модуль
5 — Электрооборудование

Солнечная батарея включает в себя следующие элементы:

• Материал-полупроводник, состоящий из двух слоев материалов с различной проводимостью. К примеру, это может быть поликристаллический или монокристаллический кремний с включением иных химических соединений для создания принципа фотоэффекта p-n перехода. То есть, один материал имеет недостаток электронов, а другой – их избыток.
• Диэлектрик, тончайший слой элемента, который противостоит переходу электронов.
• Источник электропитания. При его подключении к противостоящему слою, запорная зона легко преодолевается электронами. В результате появляется упорядоченное движение зараженных частиц, то есть электрический ток.
• Аккумулятор. Обеспечивает накопление и сохранение энергии.
• Штатный контроллер заряда.
• Инвертор-преобразователь. Производит преобразование постоянного тока, идущего от солнечной батареи, в переменный.
• Стабилизатор напряжения. Обеспечивает в системе солнечной батареи создание напряжения необходимого диапазона.

Принцип действия

• Солнечный свет в виде фотонов света попадает на поверхность солнечной батареи.
• При столкновении с поверхностью полупроводника фотоны передают энергию электронам полупроводника.
• Электроны, выбитые из полупроводника вследствие удара, преодолевают защитный слой, имея при себе дополнительную энергию.
• В результате отрицательные электроны переходят в проводник n из p-проводника, а положительные совершают обратный маневр. Подобному переходу способствуют электрические поля, которые на данный момент имеются в проводниках. Впоследствии они увеличивают разность и силу зарядов.

Если батарея, освещенная солнцем, замкнута на определенную нагрузку с сопротивлением R, то наблюдается появление электрического тока I. Его величина определяется сопротивлением нагрузки, интенсивностью освещения и качеством фотоэлектрического преобразователя. Мощность P, выделяемая в нагрузке определяется формулой P= I*U, где U показывает напряжение на зажимах батареи.

Виды

В зависимости от применяемых материалов солнечные батареи могут быть:

• Панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов. Они эффективны, однако более дороги, КПД составляет 14-16%. У монокристаллических элементов многоугольная форма, вследствие чего всю площадь заполнить трудно;
• Панели из аморфного кремния. Такие батареи демонстрируют низкий КПД в пределах 6-8%. Но среди кремниевых технологий преобразователей у них наиболее дешевая электроэнергия;
• Панели из теллурида кадмия выполняются на базе пленочной технологии. Нанесение полупроводникового слоя осуществляется слоем в несколько сотен микрометров. КПД составляет 11%, но в сравнении с кремниевыми батареями ватт мощности обходится дешевле на десятки процентов;
• Панели на базе полупроводников CIGS, которые состоят из селена, галлия, индия и меди. КПД таких панелей доходит до 15%;
• Полимерные панели. Это разновидность тонкопленочных батарей, принцип работы которых напоминает фотосинтез растений. Включает слой полимера, защитный слой, гибкую подложку и алюминиевые электроды. КПД 5-6%;
• Наиболее распространенными вследствие оптимального соотношения КПД и цены являются панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов. Их КПД достигает 12-14%.

СБ также можно условно разбить на следующие типы:

• Тонкопленочные или гибкие (на базе теллурида кадмия, кристаллические и аморфные);
• Жесткие (из кристаллического кремния, иногда аморфного);
• Односторонние (поглощают свет одной стороной);
• Двухсторонние (поглощают свет обеими сторонами).

Особенности

• Заряд аккумуляторной батареи при слабом солнечном свете уменьшается, отдавая электроприемнику электрическую энергию, то есть идет постоянная работа в режиме зарядки и разряда. Контроль выполняется специальным контроллером.
• СБ не требуют никаких специальных профилактических работ. Может потребоваться лишь протирание пыли.
• Панели можно использовать и зимой, однако производительность в этот период уменьшается в полтора-два раза. Чтобы на панелях не накапливается снег, их следует устанавливать под углом 70 градусов на возвышении.
• Солнечные батареи лучше всего подойдут для автономных систем, в которых много бытовых энергоэффективных электроприборов, не включенных постоянно.

Применение

Солнечные батареи могут применяться практически повсеместно:

• Электромобили.
• Портативная электроника.
• Калькуляторы, фонарики, плееры и так далее, то есть везде, где требуется подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники.
• Авиация. Так создан самолет Solar Impulse, работающий только на солнечной энергии.
• Энергообеспечение домов, школ, аэропортов и иных зданий. Солнечные батареи широко используются в субтропических и тропических регионах, где много солнечных дней. В особенности популярны они в странах Средиземноморья.
• Использование в космосе. СБ ставят на МКС, устанавливают на спутниках, космических и межпланетных аппаратах, а также многое другое.

Источник

Солнечные батареи

Главная > Реферат >Коммуникации и связь

Люди всегда боятся перемен.

Люди боялись электричества,

когда оно было изобретено, не так ли?

Люди боялись угля, они боялись, газовых двигателей .

Там всегда будет невежество и незнание приводит к страху.

Но со временем, люди будут приходить,

чтобы принять своих хозяев кремния.

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии

Физический принцип работы фотоэлемента

Фотоэлементы для промышленного назначения

Солнечная батарея на крыше дома

Использование в космосе

Эффективность фотоэлементов и модулей

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива — урана и тория, из которого можно получить в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива — водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна.

2. Солнечная батарея

Солнечная батарея — бытовой термин, использующий в разговорной речи или не научной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Хотя, для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы, до занимающих крыши автомобилей и зданий.

3. Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%.[1] В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40,7 %.

4. Физический принцип работы фотоэлемента

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте. Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.

Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. В 1989 г. фирмой “Боинг” создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников — арсенида и антимонида галия — с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28%+9%=37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,

прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,

рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,

рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,

внутренним сопротивлением преобразователя,

и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

-использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

— направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

— переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

— оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

— применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;

— разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

— создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

5. Фотоэлементы для промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

высокая надёжность при длительном (25-30 лет) ресурсе работы;

высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;

приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;

минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se2 и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

6. Солнечная батарея на крыше дома

Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, очень широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.

Новые дома Испании с марта 2007 года должны быть оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование.

7. Использование в космосе

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

8. Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на квадратный метр, без учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 ватт. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9 % -24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. Ожидается, что к 2010 году себестоимость снизится до 0,15 долл.

Сообщается, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с эффективностью 44 %. В 2005 году было заявлено, что российские учёные разработали ‘Звездные батареи’ с эффективностью фотоэлементов 90%. В 2007 году появилась информация, об изобретении российскими учёными элементов с эффективностью 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться в виду отсутствия массового производства.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Источник