Как работают солнечные батареи. Солнечные батареи как работает

Чтобы сделать солнечные электростанции максимально эффективными, при строительстве и установке станции необходимо учитывать определенные характеристики солнечных панелей. В частности, необходимо учитывать следующие моменты

Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Эффективное преобразование свободных лучей солнечного света в энергию, которую можно использовать для питания домов и других объектов, — мечта многих апологетов «зеленой» энергетики.

Однако принцип работы солнечных батарей и их эффективность таковы, что пока нельзя говорить о высокой эффективности таких систем. Было бы неплохо иметь собственный дополнительный источник энергии. Не так ли; особенно сегодня и в России, с помощью солнечных батарей многие частные дома обеспечиваются «бесплатной» электроэнергией. Все еще не уверены, с чего начать?

Ниже вы узнаете об устройстве и работе солнечных батарей и о том, от чего зависит производительность солнечной системы. Видео в этой статье поможет вам собрать собственные солнечные батареи из солнечных элементов.

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективнее. Сегодня они используются для зарядки уличных фонарей, смартфонов, электромобилей, частных домов и батарей космических спутников. Они также используются при строительстве серийно выпускаемых интегрированных солнечных электростанций (SPP).

Солнечные панели состоят из ряда солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые преобразуют энергию фотонов солнца в электричество.

Каждая солнечная панель устроена в виде блока из нескольких объединенных блоков полупроводниковых солнечных элементов, соединенных последовательно. Чтобы понять, как работают эти элементы, необходимо понять функцию этого последнего звена в конструкции солнечных батарей на основе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Существует множество вариантов ПЭК, изготовленных из различных химических элементов. Однако большинство из них находятся на ранних стадиях разработки. В настоящее время в промышленных масштабах производятся только солнечные батареи на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются в производстве солнечных батарей из-за их низкой стоимости, но они не могут похвастаться особенно высокой эффективностью.

Типичный солнечный элемент в солнечной панели представляет собой тонкую пластину, состоящую из двух слоев кремния, каждый из которых обладает своими физическими свойствами. Это классический p-n полупроводниковый контакт с электронно-дырочными парами.

Когда фотон попадает на PEP, между этими полупроводниковыми слоями из-за кристаллических неоднородностей возникает вентилируемый фототок, создающий разность потенциалов и электронный ток.

Кремниевые пластины фотоэлементов имеют различные технологии изготовления.

В первом случае урожайность выше, но производственные затраты выше, чем во втором. Внешне один вариант солнечной панели можно отличить от других вариантов по форме.

Фотоэлектрические электростанции для автономных источников энергии собираются из солнечных панелей, которые частично оснащены фотоэлектрическими полупроводниковыми элементами.

Солнечные батареи можно разделить на монокристаллические и поликристаллические варианты, в зависимости от процесса производства и непосредственно связанной с ним эффективности.

Монокристаллические варианты изготавливаются из монокристаллов, разработанных в лаборатории. Они темнее и выглядят прямоугольными с косыми углами.

Фотоэлементы из монокристаллического кремния производят энергию с КПД 20-22%. Они дороже, чем поликристаллические элементы.

Для автономных электростанций можно приобрести отдельные солнечные элементы для самостоятельной сборки или батареи, собранные и готовые к установке.

Поликристаллические элементы изготавливаются из кремния, который расплавляется и затем затвердевает. Они выглядят как прямоугольники с четкой геометрической формой, их цвет более яркий и голубой, и они имеют низкий выход до 18%.

Солнечные панели собираются из обоих типов солнечных элементов в соответствии с общими правилами. Для готового к установке блока требуется 36 или 72 солнечных элемента.

Как монокристаллические, так и поликристаллические солнечные батареи собираются путем сварки спереди и сзади. Они соединены последовательно

Эффективность батарей гелиосистемы

Отдельные фотоэлементы вырабатывают очень мало энергии, ее достаточно для питания светодиодного фонарика даже в солнечные дни.

Для увеличения выходной мощности несколько солнечных элементов соединяются параллельно для увеличения постоянного напряжения и соединяются последовательно для увеличения тока.

Эффективность солнечной батареи зависит от:.

• Температура воздуха и самих батарей; и
• Правильный выбор сопротивления нагрузки
• Угол падения солнечных лучей, угол падения солнечных лучей.
• наличие или отсутствие антибликовых покрытий, и
• мощность светового потока.

Чем ниже температура окружающей среды, тем выше эффективность солнечного элемента и солнечной батареи в целом. Здесь все просто. Однако ситуация сложнее, когда речь идет о расчетах нагрузки. Он должен быть основан на токе, обеспечиваемом панелями. Однако его ценность зависит от погоды.

Солнечные панели производятся с несколькими выходными напряжениями 12 В. Если батарея требует 24 В, два коллектора должны быть подключены параллельно.

Постоянный контроль параметров солнечной панели и ручная регулировка ее работы могут быть проблематичными. Лучший способ сделать это — использовать систему управления солнечными батареями, которая автоматически регулирует настройки солнечных панелей для достижения максимальной и оптимальной солнечной эффективности.

Идеальный угол падения солнечных лучей на солнечную панель — прямая линия. Однако если она отклоняется на расстояние 30 градусов от перпендикуляра, эффективность панели снизится всего на 5%. Однако при дальнейшем увеличении этого угла эффективность ПВА снижается, так как увеличивается доля отраженного солнечного излучения.

Если батарея обеспечивает максимальную мощность летом, ее следует ориентировать перпендикулярно центральному положению солнца, занимаемому весенним и осенним равноденствиями.

В Московской области это примерно 40-45 градусов к горизонту. Если зимой требуется максимальный показатель, то плиты следует располагать более вертикально.

И еще одно: пыль и грязь могут значительно снизить производительность фотоэлементов. Фотоны не могут проникнуть через такие «грязные» барьеры, поэтому ничего не преобразуется в электричество. Панели следует регулярно чистить или располагать так, чтобы пыль удалялась с самого дождя.

Некоторые солнечные панели имеют встроенные линзы для сбора излучения на FEP. В солнечную погоду это повышает эффективность. Однако в условиях облачности такие линзы приносят только вред.

Обычные панели в таких условиях будут продолжать вырабатывать электроэнергию, хотя и в меньшем объеме, но линзовая модель практически полностью перестанет функционировать.

В идеале солнце должно освещать фотоэлектрическую батарею. Когда одна из его частей затемняется, неиллюминированные PEC превращаются в паразитные нагрузки. В такой ситуации они не только не производят энергию, но и отбирают ее у рабочих элементов.

Панели должны быть установлены так, чтобы рядом не было деревьев, зданий или других препятствий, блокирующих солнечные лучи.

Отдельные фотоэлектрические элементы собраны в блоки с алюминиевой рамой и закрыты сверху прочной стеклянной пластиной, так что они совершенно не блокируют солнечный свет.

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены давно. Явление преобразования света в электричество было впервые открыто Александром Эдмоном Беком в 1842 году. На создание первого прототипа ушло почти столетие.

В 1948 году, 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Джемицан создал то, что мы используем и разрабатываем сегодня. Десять лет спустя, в 1958 году, технология была впервые испытана в космосе в качестве энергетического улья на американском спутнике под названием Vanguard 1. Спутник был запущен 17 марта, и те же результаты были повторены 15 мая того же года («Спутник-3»). Другими словами, технология начинает использоваться в больших масштабах в разных странах практически одновременно.

Использование солнечных батарей в космосе — обычная практика.

Подобные структуры до сих пор используются в космосе в качестве важного источника энергии. Они также используются на Земле для электрификации домов и даже целых городов. Они также устанавливаются в политические электромобили, обеспечивая большую автономность.

В целом, важность этих клеток невозможно переоценить. Они являются единственным способом производства энергии в любой точке планеты. Гидроэлектростанции, атомные электростанции и ветряные турбины могут быть расположены только в определенных местах и либо очень дороги, либо требуют соответствующей инфраструктуры. Кроме того, только солнечные батареи могут обеспечить жильем и электричеством пустыню. За относительно небольшие деньги. Конечно, недостаточно для «ветряных турбин».

Как работают солнечные панели

Стоит немного уточнить, что понятие «солнечный коллектор» не совсем корректно. Точнее, это верно, но не имеет никакого отношения к типу энергосистемы, о которой мы говорим. Есть обычная батарея, но ей нужна энергия от солнечных панелей, которые преобразуют солнечный свет в электричество.

В основе солнечного коллектора лежат солнечные батареи, установленные в общей раме. Для создания таких ульев обычно используется кремний, но могут применяться и другие полупроводники.

Энергия вырабатывается, когда солнечный свет попадает на полупроводник и нагревает его. В результате внутри полупроводника испускаются электроны. Электрическое поле заставляет электроны двигаться равномерно, вырабатывая электричество.

Итак, похоже, что речь идет о солнечных коллекторах.

Для выработки электроэнергии контакты должны быть подключены к обеим сторонам фотоэлектрического элемента. Затем он начинает подавать энергию на подключенные потребители или просто заряжает аккумулятор. Это позволяет возвращать электроэнергию в сеть по мере необходимости.

Основной вес приходится на кремний благодаря его кристаллическим свойствам. Однако чистый кремний сам по себе является плохим проводником, и для изменения его свойств и улучшения проводимости в него добавляют немного примесей. Большинство примесей включает фосфор.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводники — это материалы, в которых атомы либо имеют дополнительные электроны (тип n), либо не имеют электронов (тип p). Другими словами, полупроводники состоят из двух слоев с разной проводимостью.

В качестве катода в таких схемах используется слой n. Подъем — это слой p. Это означает, что электроны из слоя 1 могут быть переданы в слой 2. Переход происходит при поражении электрона фотоном. Фотоны нейтрализовали электроны. Затем они проходят через аккумулятор обратно в слой n, где все продолжается по кругу.

Когда энергия заканчивается, все начинает двигаться по кругу, а свет всегда горит.

В современных солнечных батареях в качестве полупроводника используется кремний, но все началось с селена. Производительность Selenium была настолько низкой (менее 1%), что его быстро заменили. Сегодня кремний в целом отвечает требованиям промышленности, но имеет существенные недостатки.

Переработка и очистка кремния для получения полезной формы может быть очень дорогостоящей. Чтобы сохранить низкую стоимость, тестируются такие альтернативы, как медь, индий, галлий и кадмий.

Легкие и компактные кемперы на солнечных батареях питают телефоны, радиоприемники, планшеты и мультимедиа

Кремниевые полупроводники

Для иллюстрации процесса эмиссии электронов в качестве примера взят кремний. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья оболочка наполовину пуста — в ней только четыре электрона.

Это придает кремнию кристаллическую форму. Пытаясь заполнить пробел в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «поделиться» электронами с соседними оболочками. Однако чистые кристаллы кремния являются плохими проводниками, поскольку почти все их электроны прочно расположены в кристаллической решетке.

По этой причине в солнечных батареях используется не чистый кремний, а кристаллы с меньшим количеством примесей, то есть атомов других веществ, добавленных к кремнию. Это означает, что на каждый миллион атомов кремния приходится только один Атомы фосфора.

Фосфор имеет пять электронов на внешней стороне своей оболочки. Четыре из них образуют кристаллические связи с соседними атомами кремния, но пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, не связываясь с соседними атомами.

Когда солнечный свет падает на кремний, его электроны получают дополнительную энергию. Этого достаточно, чтобы извлечь их из соответствующих атомов. В результате отверстие остается нетронутым. Выпущенные электроны ходят по кристаллической решетке как проводники электричества. Когда они сталкиваются с очередной «дырой», они заполняют ее.

Однако в чистом кремнии этих свободных электронов очень мало из-за сильной связи атомов в кристаллической решетке. Кремний, смешанный с фосфором, — это совсем другое дело. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется гораздо меньше энергии.

Большинство этих электронов становятся свободными носителями и могут быть эффективно ориентированы и использованы для выработки электроэнергии. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств материала известен как легирование.

Кремний, к которому добавлены атомы фосфора, становится электронным полупроводником типа n (от слова «отрицательный», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также богат бором и имеет только три электрона во внешней оболочке. В результате образуются полупроводники p-типа (от «положительный»), создающие положительно заряженные свободные «дырки».

Устройство солнечной батареи

Что происходит при соединении полупроводников n- и p-типа? В первом случае образуется много свободных электронов, а во втором — много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, и когда это происходит, оба полупроводника становятся электрически нейтральными.

И наоборот, когда свободные электроны проникают в p-n полупроводник, область на стыке двух материалов становится заряженной, образуя барьер, который трудно преодолеть. На границе p-n соединения создается электрическое поле.

Энергии каждого фотона солнечного света обычно достаточно для испускания электрона и, следовательно, дополнительной дырки. Если это происходит вблизи p-n контакта, электрическое поле направляет свободные электроны на сторону n, а дырки — на сторону p.

Таким образом, при дальнейшем нарушении равновесия и приложении к системе внешнего электрического поля свободные электроны перетекают на сторону p, заполняя дырки и генерируя ток.

К сожалению, кремний очень хорошо отражает свет, поэтому большинство фотонов теряется. Чтобы уменьшить эти потери, на солнечные элементы наносят антибликовое покрытие. Наконец, обычно солнечные панели накрывают стеклом, чтобы защитить их от дождя и ветра.

Современные солнечные панели не очень эффективны. Они наиболее эффективно перерабатывают 12-18% попадающего на них солнечного света. Лучшие примеры превышают 40-процентный барьер эффективности.

Солнечные панели обычно представляют собой конструкции, содержащие темные части с металлическими полосами, которые проводят электричество. Детали покрыты стеклом. Существуют различные солнечные панели, как показано на схеме.

Тонкости, важные для выбора

Чтобы добиться максимальной производительности вашего оборудования, рекомендуется рассмотреть следующие вопросы

• Тип использования. Определите финансовые аспекты. Существуют два типа солнечных панелей: один — это переносной столик, который можно повесить на окно или брать с собой в поездки; другой — это целая система для установки на крыше дома. Стоимость последних зависит от страны-производителя и производственных мощностей.
• Особенности. Чтобы выбрать правильный тип и модель мощности, полезно обратиться к эксперту, где все зависит также от его использования. Для зарядки фонаря достаточно панели мощностью 3-4 Вт, в то время как для дачного холодильника требуется система мощностью до 100 Вт.
• Положение. Лучшее расположение солнечных панелей — на обращенной к югу поверхности без тени. Их можно регулировать в зависимости от времени года: летом угол наклона составляет 6°, а зимой на столько же меньше.

Коротко о главном

Солнечные панели — это альтернативный источник энергии в виде панелей (стационарных или гибких, переносных). Панели состоят из полупроводниковых элементов, которые могут преобразовывать солнечную энергию в постоянный ток. Солнечные панели характеризуются тем, что они не могут работать 24 часа в сутки. Поэтому требуется дополнительное оборудование, такое как батареи и инверторы (для преобразования постоянного тока в переменный).

Автономные и комбинированные системы различают в зависимости от способа их функционирования. Наиболее популярными продуктами на энергетическом рынке являются монокристаллические и поликристаллические системы. При выборе подходящей модели важно учесть мощность и рассчитать затраты. Если вы планируете продавать излишки энергии, вам следует вызвать электрика для подключения к электросети.