Как работают солнечные батареи

Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

• корпус панели;
• блоки преобразования;
• аккумуляторы;
• дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

• солнечная энергия абсолютно бесплатная;
• позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
• быстро окупаются;
• простая установка и принцип работы.

• большая стоимость;
• для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
• эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Как работают солнечные батареи

Cолнце есть и будет всегда! Возможно, это слишком смелое заявление, но это действительно так. По крайней мере, с точки зрения человечества. Пусть оно и взорвется через сколько-то там миллионов лет, но к тому времени мы уже покинем эту планету или сами, или в виде кучки пепла, которую развеет в космосе очередной огромный камень, налетевший на наш голубой шарик. Именно из-за такой стабильности Солнца его можно и нужно использовать для получения энергии. Люди уже давно научились это делать и сейчас продолжают совершенствовать технологии солнечной энергетики. Но как же работают солнечные панели, батареи и вообще, как можно превратить свет в электричество внутри розетки?

Солнечные панели позволяют сделать электричество чуть ли не бесплатным.

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.

В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного ”Авангард-1”. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат ”Спутник-3”). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.

Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.

Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.

Вообще, важность подобных элементов невозможно переоценить. Только так можно добиться получения энергии в любой точке планеты. Гидроэнергетика, атомные станции, ветряки и тому подобные системы могут быть размещены только в определенных местах, стоят очень дорого или требуют соответствующей инфраструктуры. И только солнечные панели позволяют построить дом в пустыне и электрифицировать его. За относительно небольшие деньги. На «ветряк» их точно не хватит.

Как работают солнечные панели

Стоит немного уточнить, что понятие ”солнечная батарея” не очень правильное. Точнее правильное, но не имеющее отношение к тем системам питания, о которых мы говорим. Батарея там обычная, но получает энергию от солнечных панелей, которые преобразуют в электричество свет солнца.

В основе солнечной панели лежат фотоэлектрические ячейки, которые помещены внутрь общей рамы. Для создания таких ячеек чаще всего используется кремний, но возможно использование и других полупроводников.

Энергия вырабатывается в тот момент, когда на полупроводник попадают солнечные лучи и нагревают его. В результате этого внутри полупроводника высвобождаются электроны. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться более упорядоченно, что и приводит к появлению электрического тока.

Примерно так выглядит солнечная панель.

Для того, чтобы получить электричество, надо подключить контакты к обеим сторонам фотоэлемента. В результате этого он начнет питать электричеством подключенный потребитель или просто заряжать батарею, которая потом будет отдавать электричество в сеть, когда это понадобится.

Основной упор на кремний делается из-за его кристаллических особенностей. Впрочем, в чистом виде кремний сам по себе является плохим проводником и для изменения свойств к нему делается крайне малое количество примесей, которые улучшают его проводимость. В основном в число примесей входит фосфор.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник является материалом, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо их не хватает (p-тип). То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В качестве катода в такой схеме используется n-слой. Анодом является p-слой. То есть электроны из первого слоя могут переходить во второй. Переход происходит за счет выбивания электронов фотонами света. Один фотон выбивает один электрон. После этого они, проходя через аккумулятор, попадают обратно в n-слой и все идет по кругу.

Когда энергия выработана, все начинается по кругу, а свет всегда горит.

В современных солнечных панелях в качестве полупроводника используется кремний, а начиналось все с селена. Селен показал крайне низкий КПД — не более одного процента — и ему сразу стали искать замену. Сейчас кремний в целом удовлетворяет требования промышленности, но есть у него и один существенный минус.

Обработка и очистка кремния для приведения его к тому виду, в котором его можно будет использовать, является достаточно затратной процедурой. Чтобы снизить стоимость производства, проводят эксперименты с его альтернативами — медью, индием, галием и кадмием.

Эффективность солнечных панелей

Есть у кремния еще один минус, который не так существенен, как стоимость, но с которым тоже надо бороться. Дело в том, что кремний очень сильно отражает свет и из-за этого элемент вырабатывает меньше электричества.

Даже повесив столько панелей, все равно надо обеспечивать их нормальную работу. В том числе бороться с отражением света.

Для того, чтобы уменьшить такие потери, фотоэлементы покрывают специальным антибликовым покрытием. Кроме такого слоя, надо использовать и защитный слой, который позволит элементу быть более долговечным и противостоять не только дождю и пыли, но даже падающим веткам небольшого размера. При установке на крыше дома это очень актуально.

Солнце -сила! Ее надо использовать!

Несмотря на общую удовлетворенность технологией и постоянную борьбу за улучшение показателей, современным солнечным панелям все равно есть куда стремиться. На данный момент массово производятся панели, которые перерабатывают до 20 процентов попадающего на них света. Но есть и более современные панели, которые пока ”доводятся до ума” — они могут перерабатывать до 40 процентов света.

А вообще, солнечная энергетика это круто! И помните, даже при таком «пАлящем» солнце система будет работать.

Как работают солнечные батареи?

Солнечная энергия удивительна. В среднем на каждый квадратный метр поверхности Земли поступает 164 Вт солнечной энергии (цифру мы объясним более подробно ниже). Другими словами, вы могли бы поставить действительно мощную (150 Вт) настольную лампу на каждый квадратный метр поверхности Земли и осветить всю планету энергией Солнца! Или, другими словами, если бы мы покрыли всего один процент пустыни Сахара солнечными батареями, мы могли бы генерировать достаточно электричества, чтобы питать весь мир. Это хорошо в солнечной энергии: ее очень много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую посылает Солнце, прибывает на Землю как смесь света и тепла . И то, и другое невероятно важно: свет заставляет растения расти, обеспечивая нас пищей, в то время как тепло сохраняет нас достаточно теплыми, чтобы выжить, — но мы не можем использовать ни солнечный свет, ни тепло непосредственно для управления телевизором или автомобилем. Нам нужно найти какой-то способ преобразования солнечной энергии в другие виды энергии, которые мы могли бы использовать более легко, например, электричество. И это именно то, что делают солнечные элементы.

Чтобы узнать, как работают солнечные панели, вам нужно понять, как они сделаны. Многие солнечные панели используют кремний, один из самых распространенных элементов планеты. Но поскольку создание кристаллов кремния подходящего качества сложно и дорого, домашние солнечные системы обычно строятся из аналогичных, но менее дорогих материалов, таких как медь, индий, галлий и селенид (CIGS). Они не так эффективны, как высококачественный кремний, но все же обеспечивают достаточную мощность при разумных затратах.

Кремний — это материал, из которого сделаны транзисторы (крошечные переключатели) в микросхемах, и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний — это материал, называемый полупроводником . Некоторые материалы, особенно металлы , позволяют электричеству проходить через них очень легко; они называются проводниками. Другие материалы, такие как пластик и дерево , вообще не позволяют электричеству течь через них; они называются изоляторами. Полупроводники, такие как кремний, не являются ни проводниками, ни изоляторами: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это делать.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из двух разных слоев кремния, которые были специально обработаны или легированы, чтобы они могли электричеством проходить через них определенным образом. Нижний слой легирован, поэтому в нем слишком мало электронов. Он называется кремнием p-типа или положительного типа (потому что электроны заряжены отрицательно, и их в этом слое слишком мало). Верхний слой легирован противоположным образом, чтобы дать ему немного слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа.

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой кремния p-типа, на стыке двух материалов создается барьер (важнейшая граница, где встречаются два вида кремния). Никакие электроны не могут пересечь барьер, поэтому, даже если мы подключим этот кремниевый бутерброд к фонарику, ток не будет течь: лампочка не загорится. Но если мы проливаем свет на бутерброд, происходит нечто замечательное. Мы можем думать о свете как о потоке энергичных «легких частиц», называемых фотонами., Когда фотоны попадают в наш сэндвич, они отдают свою энергию атомам в кремнии. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому они перепрыгивают через барьер к слою n-типа выше и текут по кругу. Чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и течет больше тока.

Это то, что мы подразумеваем под фотоэлектрическим напряжением, создающим свет, и это один из видов того, что ученые называют фотоэлектрическим эффектом .

Видимый солнечный свет состоит из невидимых частиц, называемых фотонами. У них есть энергия, но нулевая масса покоя. Когда фотоны сталкиваются с другими частицами, их энергия преобразуется в другие формы в зависимости от вида атомов, к которым они прикасаются. Большинство столкновений создают только тепло.

Но электричество также может быть произведено, когда фотоны делают электроны в атомах настолько возбужденными, что они отрываются и перемещаются свободно. Кремниевые электроны n-типа ищут электроны в кремнии p-типа, чтобы заменить отсутствующие электроны и поток между двумя полученными типами.

Замечательные свойства полупроводников, таких как кремний, позволяют поддерживать электрический дисбаланс. Это означает постоянную подачу электричества, пока фотоны попадают на солнечные панели. Ток собирается по проводам и распространяется по всей системе.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из кремния n-типа (синий) и кремния p-типа (красный). Он генерирует электричество, используя солнечный свет, чтобы электроны перепрыгивали через соединение между различными ароматами кремния:

• Когда солнечный свет падает на клетку, фотоны (легкие частицы) бомбардируют верхнюю поверхность.
• Фотоны (желтые капли) несут свою энергию через клетку.
• Фотоны отдают свою энергию электронам (зеленым пятнам) в нижнем слое p-типа.
• Электроны используют эту энергию, чтобы перепрыгнуть через барьер в верхний слой n-типа и уйти в контур.
• Обтекание цепи электронами заставляет лампу загореться.

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит, что мы не можем волшебным образом создавать энергию или заставить ее исчезнуть в воздухе; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает, что солнечный элемент не может производить больше электрической энергии, чем он получает каждую секунду в качестве света. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразует около 10–20 процентов энергии, которую они получают, в электричество. Типичный однопереходный кремниевый солнечный элемент имеет теоретический максимальный КПД около 30 процентов, известный как предел Шокли-Кейссера, Это в основном потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов с различными длинами волн и энергией, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для захвата фотонов только в пределах определенной полосы частот, тратя впустую остальное. Некоторые из фотонов, попадающих на солнечный элемент, не имеют достаточно энергии, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно тратятся впустую, в то время как у некоторых слишком много энергии, а избыток также теряется. Самые лучшие, передовые лабораторные ячейки могут управлять 46-процентной эффективностью в абсолютно идеальных условиях, используя множество соединений для захвата фотонов с различной энергией.

• Тень. Затененные солнечные панели не будут вырабатывать столько же энергии, сколько панели на полноценном солнце. Если ваша крыша лишена солнечного света, затенена необрезанными деревьями или зданиями, солнечная энергия может оказаться не лучшим выбором.
• Сезонность. Как и погода, выработка солнечной энергии меняется день ото дня и месяц за месяцем. Облачный зимний день не будет таким же продуктивным, как солнечный летний. Но важно сосредоточиться на круглогодичной картине. Например, снег иногда может отражать свет и улучшать фотоэлектрические характеристики. Таким образом, в действительности холодный месяц станет солнечным антагонистом, только если слякоть не покроет панели.
• Наклон. Солнечные панели должны иметь хороший наклон. Направление, в котором стоит ваш дом, его расположение, и даже уклон крыши, оказывают существенное влияние на эффективность работы солнечной солнечной системы. В идеале солнечные панели должны находиться под тем же углом, что и широта, на которой они установлены. Отклонения от 30 до 45 градусов обычно работают хорошо в большинстве сценариев.
• Азимут. Угол солнечного азимута — это направление компаса, откуда идет солнечный свет. В полдень солнечный свет исходит с юга в северном полушарии и с севера в южном полушарии. Неправильный угол азимута может снизить эффективность солнечной панели дома до 35%. Азимут нуля (обращенный к экватору) обычно является лучшим выбором.

Реальные бытовые солнечные панели могут достичь эффективности около 15 процентов, дать процентное соотношение здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Солнечные элементы первого поколения с однопереходными солнечными батареями не будут приближаться к 30-процентному КПД ограничения Шокли-Кейссера, не говоря уже о лабораторных показателях в 46 процентов. Все виды неприятных реальных факторов будут влиять на номинальную эффективность, включая конструкцию панелей, то, как они расположены и под каким углом находятся, попадают ли они в тень, в какой чистоте вы их держите, насколько они горячие (повышение температуры имеют тенденцию снижать их эффективность), и вентилируются ли они (позволяя воздуху циркулировать внизу), чтобы они оставались прохладными.

Большинство солнечных панелей, которые вы видите сегодня на крышах домов, по сути, представляют собой просто кремниевые бутерброды, специально обработанные («легированные»), чтобы сделать их лучшими электрическими проводниками. Ученые называют эти классические солнечные элементы первым поколением, в значительной степени отличая их от двух разных, более современных технологий, известных как второе и третье поколение. Так в чем же разница?

Около 90 процентов солнечных панелей в мире изготовлены из пластин кристаллического кремния (сокращенно c-Si), нарезанных из крупных слитков, которые выращиваются в суперчистых лабораториях, процесс которых может занять до месяца. Слитки либо принимают форму монокристаллов (монокристаллический или моно-Si), либо содержат несколько кристаллов (поликристаллический, мульти-Si или поли-c-Si). Солнечные элементы первого поколения работают так, как мы показали выше: они используют одно простое соединение между кремниевыми слоями n-типа и p-типа, которые вырезаны из отдельных слитков. Таким образом, слиток n-типа можно получить, нагревая куски кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей добавки, в то время как слиток р-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси. Ломтики кремния n-типа и p-типа затем сливаются для соединения. Добавлены еще несколько наворотов (например, антиотражающее покрытие, которое улучшает поглощение света и придает фотоэлектрическим элементам их характерный синий цвет, защитное стекло на передней панели и пластиковая подложка, а также металлические соединения, позволяющие подключить элемент к цепи), но простой pn-переход — это сущность большинства солнечных панелей.

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины — обычно их доля составляет миллиметровую глубину (около 200 микрометров, 200 микрон или около того). Но они являются абсолютными плитами по сравнению с элементами второго поколения, широко известными как тонкопленочные солнечные элементы(TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые снова примерно в 100 раз тоньше (несколько микрометров или миллионные доли метра глубиной). Хотя большинство из них все еще сделаны из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в которой атомы расположены случайным образом, а не точно упорядочены в правильной кристаллической структуре), некоторые сделаны из других материалов, в частности, теллурида кадмия (Cd -Te) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Поскольку они чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие, солнечные элементы второго поколения можно ламинировать на окнах, окнах в крыше, черепице и всех видах «подложек» (материалов подложки), включая металлы , стекло и полимеры (пластики). То, что элементы второго поколения приобретают в гибкости, они жертвуют эффективностью: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, в то время как первоклассные ячейки первого поколения могут достигать эффективности 15–20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается достичь более 7 процентов, а лучшие тонкопленочные ячейки Cd-Te справляются только с 11 процентами, а ячейки CIGS не лучше чем 7–12 процентов. Это одна из причин, почему, несмотря на их практические преимущества, элементы второго поколения до сих пор оказывали относительно небольшое влияние на солнечный рынок.

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты ячеек первого и второго поколения. Как и клетки первого поколения, они обещают относительно высокую эффективность (30 процентов и более). Как и элементы второго поколения, они, скорее всего, будут изготовлены из материалов, отличных от «простого» кремния, таких как аморфный кремний, органические полимеры (создание органических фотоэлектрических элементов), кристаллы перовскита, и имеют несколько соединений (из нескольких слоев) различных полупроводниковых материалов. В идеале это сделало бы их дешевле, эффективнее и практичнее, чем клетки первого или второго поколения.

В теории огромное количество. Давайте на время забудем солнечные элементы и просто рассмотрим чистый солнечный свет. До 1000 Вт необработанной солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, направленной прямо с Солнца (это теоретическая мощность прямого солнечного света в полдень в безоблачный день — солнечные лучи излучают перпендикулярно поверхности Земли и дают максимальное освещение или инсоляцию), как это технически известно. На практике, после того, как мы скорректировали наклон планеты и время суток, лучшее, что мы можем получить, это, возможно, 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах (даже в безоблачный день). Это составляет примерно 2–6 кВт/ч в день (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландии, или наоборот в южном полушарии, например, в Аризоне или Мексике). Умножение производства на целый год дает нам где-то между 700 и 2500 кВт/ч на квадратный метр (700–2500 единиц электроэнергии). Более жаркие регионы, очевидно, обладают гораздо большим солнечным потенциалом: например, на Ближнем Востоке ежегодно получается на 50–100 процентов больше солнечной энергии, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы эффективны только на 15 процентов, поэтому мы можем захватить только часть этой теоретической энергии. Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество энергии, которую вы можете производить, очевидно, напрямую связано с тем, сколько места вы можете позволить себе покрыть панелями. Один солнечный элемент (примерно размером с компакт-диск) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль, изготовленный из массива около 40 элементов (5 рядов по 8 элементов), может генерировать около 100–300 Вт; поэтому несколько солнечных панелей, каждая из которых состоит из 3–4 модулей, могут генерировать абсолютный максимум в несколько киловатт (вероятно, достаточно для удовлетворения пиковой потребности дома в электроэнергии).

Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

Как работает технология

Принцип действия солнечных батарей основан на возможности взаимодействия солнечного света (а это электромагнитное излучение) с веществом. При этом взаимодействии энергия фотонов (световых частиц) передается электронам вещества, то есть, энергия света преобразуется в постоянный электрический ток.

Явление было открыто еще в 19 веке, и получило название фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Для его возникновения и поддержания необходимы фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), полупроводники по способу функционирования.

Полупроводник – материал с избытком или недостатком электронов. В полупроводниковом элементе имеется два слоя с разной проводимостью. Слой с лишними электронами играет роль катода, слой с недостатком электронов – анода. В большинстве современных изделий роль полупроводников выполняют кремниевые пластины, обладающие необходимыми полупроводниковыми свойствами.

Отдельные фотоэлементы имеют слишком малую мощность, чтобы питать электроприбор. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, которая формирует то, что называют солнечной батареей (или панелью). Устройство имеет следующее строение:

• Изделие выглядит как панель, в которой заламинированы кремниевые пластины, ответственные за преобразование энергии.
• Сверху панель защищает закаленное стекло. Чтобы повысить эффективность, выбирают марку стекла с низким содержанием оксидов железа. Благодаря такому решению достигается высокая прозрачность, что также играет на эффективность системы.
• Благодаря ламинации панель получается полностью герметичной, а используемые материалы делают ее стойкой к ветровым и снеговым нагрузкам.

Плюсы и минусы

Энергия солнца относится к альтернативным, возобновляемым источникам, ее использование считается прогрессивным способом энергопотребления. Ее преимущества описывают следующим образом:

• Ваши ежемесячные платежи за электроэнергию снижаются (а в идеале исчезают). Степень экономии зависит от размеров установленной системы и объема потребления.
• Если монтаж системы производится на собственном участке, вам не надо получать разрешение на установку оборудования.
• Существует возможность заработать, если вы будете производить электроэнергии столько, что сможете продавать ее государству.
• Затраты на обслуживание остаются весьма низкими.
• Небольшой вес, беспроблемная эксплуатация, отсутствие шума.
• Солнечная энергетика – динамическая отрасль, и эффективность солнечных панелей постоянно повышается. Современные модели могут работать даже при сплошной облачности (выработка при этом снижается).

Люди, скептически относящиеся к установке солнечных батарей, оперируют следующими фактами:

• Панели требуют вложения средств, им нужно пространство для установки, а КПД достаточно низкий даже у лучших моделей.
• Панели могут служить источником энергии лишь днем. Чтобы пользоваться дарами зеленой энергетики круглые сутки, необходим аккумулятор – буферное накопительное устройство, а также инвертор (прибор для преобразования постоянного тока в переменный). «Бесплатную энергию от природы» трудно назвать дешевой.
• Зеленая технология вредит природе не хуже традиционного сжигания любого топлива. Стоит вспомнить особенности производства и, особенно, утилизации панелей и аккумуляторов. Ее экологичность под большим вопросом.
• Такой источник энергии трудно назвать независимым. Вы не имеете точек пересечения с государственными сетями, но не сможете обойтись без компаний, занимающихся обслуживанием, ремонтом систем, продажей комплектующих.
• Не всегда можно выйти на окупаемость системы, чаще технология оказывается убыточной. Дело в невнимательном подборе панелей, низкой производительности, неподходящих климатических условиях.

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:

1. 1. Гибкие;
2. 2. Жёсткие.

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.

Разновидности

По способу функционирования солнечные системы делятся на два типа:

• Автономные. Работают там, где нет возможности подключиться к центральной электросети. Минус проявляется в периоды длительного отсутствия солнца (например, зимой), когда есть риск остаться без электроэнергии. Нуждаются в подстраховке дизельным/бензиновым генератором.

• Комбинированные. Система работает автономно, на генерации от солнца, но при необходимости переключается на дублирующий источник (электросеть или тот же дизель). Источники связаны в сеть с помощью приборов, переключение происходит в автоматическом режиме.

Технологии производства и устройства солнечной батареи отличаются, главным образом, методом нанесения кремния. Большинство систем используют модули следующих типов:

• Поликристаллического типа. Бюджетный вариант солнечных батарей, подходит в качестве источника энергии для загородного дома. Существует версия мобильной модели, которую можно взять в путешествие или поход. Недостаток технологии – сравнительно низкая (до 18 %) эффективность.
• Монокристаллический кремний. Панели более надежны в эксплуатации. У них выше срок эксплуатации (до 40-50 лет), стабильнее работа: они сохраняют до 70-80 % мощности на протяжении работы. Панели из монокристаллических элементов демонстрируют эффективность до 22 % (в серии); те, что используются в космической отрасли – до 38 %.

Также возможна установка следующих устройств:

• Мультикристаллический кремний. Модули из мультикристаллического кремния просты в изготовлении, поэтому обладают более доступной стоимостью. КПД доходит до 15 %, служба рассчитана на 25 лет.
• Тонкопленочные батареи. Могут функционировать при рассеянном свете (без прямого солнечного света), что является плюсом в туманном климате или в запыленном воздухе. Это дает дополнительно 10-15 % мощности в год (если сравнивать с традиционными кристаллическими системами).
• Солнечные панели из аморфного кремния. КПД невысокий (6-8 %), зато вырабатываемая электроэнергия – одна из самых дешевых.
• Модели на основе CIGS (полупроводниковые). В состав полупроводника входит медь в смеси с индием, галлием и селеном. В основе изготовления батареи лежит пленочная технология, эффективность достигает 15 %.
• Батареи с использованием теллуида кадмия (CdTe). Изготавливаются по пленочной технологии, отличаются сверхтонким полупроводниковым слоем. КПД не превышает 11 %, зато генерируемая энергия обходится на 20-30 % дешевле, чем у кремниевых моделей.

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.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

1. Монокристаллические.
2. Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

Галерея изображенийФото из Солнечные электростанции для автономного электроснабжения собирают из солнечных панелей, составной частью которых является полупроводниковый фотоэлементПо способу производства и непосредственно связанной с ним эффективности фотоэлементы делят на моно- и поликристаллические видыМонокристаллические варианты производятся из цельного кристалла, выращенного в лабораторных условиях. Они темнее, внешне выглядят как прямоугольник со скошенными угламиФотоэлементы из монокристаллического кремния генерируют энергию с КПД в 20-22%. По стоимости они дороже поликристаллическихДля устройства автономной электростанции можно приобрести как отдельные фотоэлементы для самостоятельной сборки, так и батареи в собранном и подготовленном к монтажу видеПоликристаллические фотоэлементы изготавливаются из кремния, полученного путем расплава и дальнейшего отвердевания. Внешне это прямоугольники с четкими геометрическими формами, цвет у них светлее и синее, производительность меньше — до 18%Собирают солнечные батареи из фотоэлементов обоих типов по общим правилам. В готовом к установке модуле должно быть 36 или 72 штукСборка как моно-, так и поликристаллических фотоэлементов производится пайкой с лицевой и тыльной стороны. Соединяют их последовательноГелио-электростанция на загородном участкеСолнечные монокристаллические батареиВнешний вид солнечных батарей на монокристаллахМонокристаллическая единица солнечной батареиПоставка готовой к монтажу солнечной батареиПоликристаллический фотоэлемент для солнечной батареиГелио-батарея из поликристаллических фотоэлементовИзготовление солнечной батареи своими руками

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Настоящим прорывов в области использования солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:

Галерея изображенийФото из В изготовлении гибких солнечных батарей кремний слоями напыляется на полимерную пленку или металлическую фольгу. Правда их КПД в два раза ниже, чем у кристаллическихИзобретение гибких солнечных панелей существенно расширило сферу использования. К тому же они прочнее и легче поли- и монокристаллических элементовВ продаже появились портативные зарядные устройства, выполненные на основе гибкой батареи. Устройство снабжено аккумулятором для накопления зарядаГибкие модели солнечных батарей лишены основного недостатка кристаллических фотоэлементов — хрупкости. Их без опасений можно брать в походы, дальние путешествия, морские прогулкиГибкий вариант солнечной батареиНаклейка гибкого фотоэлемента на жалюзиЗарядка для мобильников на гибкой батарееУстойчивая к механическим воздействиям панель

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока