Солнечные батареи это фотоэффект

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи

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.

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

Виды элементов солнечных батарей, их особенности и нюансы использования

В энергосистемах разного уровня и направленности (как промышленных, так и частных) возрастает популярность солнечных батарей. Преимущества их использования понятны и неоспоримы, что прежде всего касается экономичности их работы.

Солнечные источники энергии не зависят от центральных систем сбережения энергии, способствуют значительному снижению затрат на коммунальные расходы. Кроме того, они просты в эксплуатации и абсолютно экологичны и безопасны. В настоящее время существует несколько видов солнечных элементов, каждый из которых отличается особенностями производства, способу модификации солнечной энергии в электрическую.

Особенности работы солнечных батарей. Фотоэффект

Принцип работы этих элементов основан на процессе трансформации энергии солнечных лучей в электрическую энергию. Внешне это выглядит следующим образом: солнечные лучи падают на пластину, в результате чего указатель индикатора показывает величину электрического тока, получаемого в результате. Это явление можно объяснить с точки зрения физики. Оно носит название «фотоэффект» и его сущность заключается в способности некоторых видов материалов вырабатывать электричество от солнца.

Принцип действия фотоэффекта основан на функционировании электронов. Электроны, находящиеся в составе некоторых веществ (среди них, например, кремний), осуществляют поглощение потока солнечных лучей. Результат: создание и получение электронами импульса, который способствует их выталкиванию из орбит. В итоге происходит создание эффекта постоянного фототока, который представляет собой поток движущихся в одном направлении электронов.

Подобное описание является самым простым объяснением сложного процесса работы солнечных элементов энергии. Дело в том, что появление фотоэффекта возможно только в том случае, если обеспечено объединение двух типов полупроводников. Полупроводники первого типа отличаются нехваткой электронов, а второго типа – их избыточным количеством. При их объединении получаются солнечные батареи, имеющие в конструкции два слоя, представляющего собой эти полупроводники.

Фотоэлементы осуществляют свое взаимодействие по следующей схеме. Расположенный на верхних позициях структуры n-проводник подвергается прямому воздействию солнечных лучей, результатом которого является выбрасывание электронов из орбит. Вследствие создания добавочного энергетического импульса происходит переход частиц в проводник р типа. Результат: формирование направленного потока движения частиц. Для сбрасывания полученного фототока на пластины из полупроводников устанавливают нагрузку и тонкие проводниковые элементы.

Чаще всего в роли полупроводников обоих типов в составе солнечных элементов используют кремний с различными добавками. Дело в том, что этот химических элемент обладает массой преимуществ, среди которых простота в добыче и обработке, дешевизна, минимизация затрат и подходящие физические характеристики. Среди недостатков этого элемента в качестве основы для создания полупроводников является небольшая продуктивность, которая редко достигает более 20 % преобразования энергии. Некоторые химические вещества обладают более высоким показателем КПД при преобразовании солнечной энергии в электричество, но их использование нерентабельно из-за сложностей добычи и промышленной обработки.

Кремний лежит в основе производства солнечных батарей нескольких типов: поликристаллических, монокристаллических и тонких пленочных. Каждый тип отличается особым набором свойств и определяет основную отрасль применения.

Поликремний в составе фотоэлементов

Поликристаллические ячейки кремния отличаются неоднородной структурой темного цвета и имеют квадратную форму. В поликремнии содержится небольшой процент примесей.

Продуктивность работы поликремниевых ячеек, которая составляет около 17 %, ниже, чем монокремниевых (более 20%). Однако по ряду причин, включающих легкость выращивания поликремниевых кристаллов, минимум затрат на данный процесс, поликремниевые батареи намного дешевле.

Неравномерная структура поверхности этих ячеек определяет неравномерное поглощение солнечных лучей. Это способствует, с одной стороны, к большим потерям энергии, а с другой – снижению степени зависимости от траектории движения Солнца.

Монокремниевые фотоэлементы

Монокристаллический кремний, а точнее фотоэлементы на его основе, легко узнаваемы. Они отличаются ярким синим цветом, ровной и однородной поверхностью. Производство таких ячеек осуществляется из монокристаллов кремния, не имеющего примесей. Благодаря этому, такие ячейки отличаются высокими показателями качества и наиболее продуктивны. Их форма: квадрат со срезанными углами.

Характеристики монокремниевых фотоэлементов

Они отличаются самым высоким КПД при трансформации энергии. Причина заключается в однородности их состава, благодаря которой свет поглощается максимально равномерно и преобразуется в фотопоток. Точные показатели энергетической эффективности этих элементов зависят напрямую от свойств кристалла, процентного содержания в нем примесей, а также качества технологий их выращивания.

Монокристаллические солнечные батареи отличаются следующими качествами:

• независимость равномерности выходных свойств от погоды. Даже высокий уровень облачности и холодное время года (при отрицательных температурах) не влияет на КПД таких батарей.
• гибкость, предотвращающая поломки вследствие физического воздействия.

Стоимость монокремниевых батарей превышает цену на поликристаллические.

Фотоэлементы на основе аморфного кремния

Их наиболее распространенное название «гибкие панели». Они отличаются гибкой структурой из тонких пленок. Их производство основано на использовании аморфного кремния или теллурида кремния. В настоящее время активно ведутся разработки по применению в качестве основного вещества органических компонентов.

Продуктивность гибких панелей зависит от типа полупроводника. Кремниевые панели дают 10% КПД, наиболее современные компоненты – 15-20 %.

Характеристики гибких тонкопленочных панелей:

• универсальность монтажа (возможен на любых формах);
• высокий уровень генерирования энергии при рассеянном падении лучей;
• маленькая толщина, достигающая около 1 мкм;
• низкая себестоимость и совокупная цена;
• высокие показатели эффективности при использовании в мощных системах (свыше 10 кВт).

Солнечные батареи тонкопленочного типа находят широкое применение в регионах с преобладанием облачной погоды, а также в жарких регионах.

К минусам этих элементов можно отнести их габариты, превышающие при аналогичном уровне мощности размеры кристаллических в два раза.

Транзисторные фотоэлементы

Фотоэлементы в составе солнечных батарей могут быть изготовлены из вышедших из эксплуатации транзисторов. Их можно сделать даже самостоятельно, в домашних условиях. Для этого потребуются транзисторы из полупроводников, с которых нужно снять крышки (для открытия переходов полупроводников). КПД таких фотоэлементов минимален, но есть возможность их объединения друг с другом в блоки, что будет способствовать в конечном итоге увеличению выходных параметров. Такие батареи подойдут для зарядки светильников, часов и маленьких аккумуляторов.

Источник