Физический принцип действия солнечных батарей. Солнечная батарея — принцип работы

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:

• , 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.
• , тончайший слой элемента, который противостоит переходу электронов.
• . При его подключении к противостоящему слою, запорная зона легко преодолевается электронами. В результате появляется упорядоченное движение зараженных частиц, то есть электрический ток.
• . Обеспечивает накопление и сохранение энергии.
• . Производит преобразование постоянного тока, идущего от солнечной батареи, в переменный.
• . 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.

Достоинства и недостатки

Среди преимуществ можно отметить:

• Экологичность;
• Долговечность, фотоэлементы служат несколько десятков лет;
• Простой принцип работы. Благодаря чему поломок в солнечной батарее практически не бывает;
• Бесшумность;
• Возможность постоянной работы;
• Не нужно топлива;
• Общедоступность;
• Возможность изменения мощности системы.

Среди недостатков можно отметить:

• Низкий КПД. Нужна большая площадь батарей, чтобы обеспечить нужды даже небольшой семьи;
• Сложность сборки системы и наладки;
• Достаточно высокая стоимость солнечных батарей, а также низкая окупаемость системы.

Перспективы

Стремление человечества к экологичности и отказу от нефти приведет к внедрению все больших энергосберегающих технологий. Это значит, что солнечные батареи будут использоваться повсеместно. А создание панелей с более высоким КПД позволит:

• Оборудовать большинство зданий панелями для получения энергии;
• Монтировать их в автомобили, дороги, роботы и многочисленные иные приборы;
• Устанавливать их в одежду и даже вживлять в человека. Южнокорейские ученые уже создали подкожную солнечную батарею, которая в 15 раз тоньше волоса. Она обеспечивает бесперебойную работу приборов, которые имплантированы в тело, к примеру, кардиостимулятора.

Применение солнечных батарей

Использование солнечной энергии для создания солнечных электростанций является очень выгодным и не таким уж дорогим источником электроэнергии. Широкое применение солнечных батарей нашли не только в промышленности и других отраслях, но и для индивидуальных нужд.

Со временем солнечные батареи становятся дешевле и все большее число людей приобретают их и используют в качестве источника альтернативной энергии. На солнечных панелях работают калькуляторы, радиоприемники, фонари на аккумуляторах с подзарядкой от солнечной панели.

Есть даже корейский мобильный телефон, который может заряжаться от солнечных панелей. Появились небольшие переносные электростанции на солнечных панелях, которыми пользуются туристы, рыбаки, охотники. Сейчас никого не удивишь автомобилем с солнечной панелью на крыше.

Как работают солнечные батареи

Солнечная панель состоит из множества фотоэлементов, которые при освещении солнечными лучами создают разность потенциалов. Теперь, соединяя эти фотоэлементы последовательно, мы увеличим величину постоянного напряжения, а соединяя параллельно, увеличим силу тока.

Устройство солнечных батарей

Т. е., соединяя фотоэлементы последовательно – параллельно мы можем достичь большой мощности солнечной панели. Также батареи можно собирать параллельно и последовательно в модуле и добиться значительного увеличения напряжения, тока и мощности такого модуля.

Принцип работы солнечной панели

Кроме солнечных батарей схема имеет еще такие устройства как , необходимый для контроля заряда аккумулятора, инвертор имеет функцию преобразования постоянного напряжения в стабильное переменное, для потребителей электроэнергии. Аккумуляторы предназначены для накопления электроэнергии.

Как работают фотоэлементы солнечной батареи

Еще Беккерель доказал, что энергию солнца можно преобразовать в электричество, освещая специальные полупроводники. Позднее эти полупроводники стали называть фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой два слоя полупроводника имеющих разную проводимость. С обеих сторон к этим полупроводникам припаиваются контакты для подключения в цепь. Слой полупроводника с n проводимостью является катодом, а слой с p проводником анодом.

Проводимость n называют электронной проводимостью, а слой p дырочной проводимостью. За счет передвижения «дырок» в p слое во время освещения, создается ток. Состояние атома потерявшего электрон называется «дырка». Таким образом, электрон перемещается по «дыркам» и создается иллюзия движения «дырок».

В действительности «дырки» не передвигаются. Граница соприкосновения проводников с разной проводимостью называется p-n переходом. Создается аналог диода, который выдает разность потенциалов при его освещении. Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода.

Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток. Величина разности потенциала зависит от размеров фотоэлемента, силы света, температуры. Основной первого фотоэлемента стал кремний. Однако высокую чистоту кремния получить трудно, стоит это недешево.

Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода. Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток

Поэтому сейчас ищут замену кремнию. В новых разработках кремний заменен на многослойный полимер с высоким КПД до 30%. Но такие солнечные панели дорогие, и пока отсутствуют на рынке. КПД солнечных батарей можно повысить, если устанавливать их на южной стороне и под углом не меньше 30 градусов.

Рекомендуется, на устройство слежения за движением солнца. Это устройство передвигает панели таким образом, чтобы они получали максимально возможное освещение лучами солнца от восхода до заката. При этом КПД солнечных панелей возрастает достаточно сильно.

Когда-то, с помощью зеркал, нагревали воду, а сейчас создают целые электростанции на солнечных батареях. Разберем принцип работы солнечной батареи, и почему они так эффективны для получения энергии.

Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии (ФЭП)– это полное название солнечных батарей. Принципы их работы известны более 30 лет, но активно внедряться в быту они начали всего несколько лет назад. Для того чтобы правильно подобрать панели для системы альтернативного обеспечения энергией, необходимо понять принцип их работы.

Принцип работы солнечной батареи

Панель преобразователя состоит из двух тонких пластин из чистого кремния, сложенных вместе. На одну пластину наносят бор, а на вторую фосфор. В слоях, покрытых фосфором, возникают свободные электроны, а в покрытых бором – отсутствующие электроны. Под влиянием солнечного света электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Чтобы снять ток с пластин их пропаивают тонкими полосками специально обработанной меди. Одной кремниевой пластины хватит для зарядки маленького фонарика. Соответственно, чем больше площадь панели, тем больше энергии она вырабатывает.

Спаянные между собой пластины,пропускающие УФ лучи, ламинируют пленкой и крепят на стекло. Скрепленные слои заключают в алюминиевую раму.

КПД солнечных батарей

Коэффициент полезного действия панелей преобразователя зависит от нескольких факторов и для традиционных солнечных батарей не превышает 25%, хотя сейчас, используя следящую систему, можно достигнуть показателя и в 40-50 %. Эта система устроена так, чтобы батарея поворачивалась в сторону солнца. Площадь батареи напрямую влияет на ее мощность – первые солнечные батареи, с которыми мы познакомились, были в калькуляторах. Для обеспечения нагрева воды потребуется минимум шесть панелей установленных на крыше.

Также КПД зависит от материала модулей. Пластины изготавливают из монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния и пленок. Самые распространенные и популярные на сегодня (благодаря доступной стоимости) тонкопленочные панели. Они сделаны из тех же материалов, но немного легче, правда, проигрывают по производительности. Максимальный КПД равен 25 %.

Фотоэлектрические системы

Для обеспечения жилья энергией солнца одних панелей не достаточно, для этого понадобится фотоэлектрическая система (ФЭС). Такие системы бывают трех типов:

• автономные ФЭС – для отдельно стоящих частных домов, в нежилой местности
• ФЭС соединенные с электросетью – часть приборов запитана от ФЭС, а часть – от централизованной электросети
• резервные ФЭС – используется только в случае отключения централизованного энергоснабжения.

ФЭС любого типа обязательно состоит из кабелей, контроллера, инвертора и аккумулятора.

Будущее солнечных батарей

По данным исследований экологов и геологов, запасов нефти и газа осталось еще лет на 100. Источники природной энергии (воды, ветра и солнца) неисчерпаемы.

В передовых европейских странах обеспечение новостроек альтернативной энергией – прямая обязанность застройщиков уже с 2007 года. В нашей стране эти проекты продвигаются благодаря энтузиастам от экологии, собирающим вручную ФЭС из подручных материалов. Но таких единицы, веди самому сделать их довольно сложно.

Ряд украинских производителей («Аванте», «Атмосфера», «Ітнелкон України», «СІНТЕК», «Техно-АС») уже выпускают такие панели и обустраивают ФЭС по всей стране. Стоимость продукции, к сожалению, в том же диапазоне, что и зарубежные бренды (Buderus, Wolf, Rehau, Vaillant, Viessmann, Chromagen, Ferroli, Rucelf, Solver).

Сегодня у всех на слуху понятие альтернативной энергетики. Уже ни для кого не секрет, что запасы нефти, газа и других видов топлива на Земле не безграничны, поэтому ученые и инженеры продолжают искать возможности эффективного применения возобновляемых ресурсов для получения столь необходимого всем электричества. В последние годы солнечные элементы перестали быть экзотикой, используемой только в космических аппаратах, они получили широкое распространение для электроснабжения зданий, автомобилей, автономного питания мелкой бытовой техники и электроники. Поскольку Солнце – огромный источник энергии, который доступен каждому, полезно знать, как преобразовать свет в электричество или как работает солнечная батарея.

Принцип работы солнечной батареи

Это устройство, называемое также солнечной панелью, состоит из совокупности соединенных определенным способом фотоэлектрических преобразователей, в состав которых входят два слоя полупроводников с различными типами проводимости – p и n. В качестве вещества, обладающего такими свойствами, чаще всего используется кремний с определенными примесями. При добавлении к нему фосфора в полученной структуре возникает избыток электронов (отрицательных зарядов) и образуется полупроводник n-типа, а при подмешивании бора – p-типа, характеризуемый недостатком электронов или наличием дырок. Если разместить эти слои между двумя электродами так, как показано на картинке, и обеспечить к верхнему доступ света, получится фотоэлектрический преобразователь.

При освещении элемента им поглощается часть падающей энергии, в результате чего происходит дополнительная генерация дырок и электронов. Электрическим полем, существующим в p-n переходе, первые перемещаются в p-область, а вторые – в n-область. При этом на нижнем электроде скапливаются положительные заряды, на верхнем – отрицательные, то есть возникает разность потенциалов – постоянное напряжение U. Таким образом, фотоэлектрический преобразователь работает как источник электродвижущей силы (ЭДС) – небольшая батарейка. Если к ней подсоединить нагрузку, в цепи возникнет ток I, значение которого будет зависеть от вида фотоэлемента, его размеров, интенсивности солнечного излучения и сопротивления подключенных потребителей. ЭДС батареи снижается с повышением температуры приблизительно на 0,4%/°С. Поэтому для эффективной и долговременной работы панель необходимо охлаждать с помощью вентиляторов или водяных систем.

Важнейшим параметром солнечного источника энергии является мощность P=UI. Естественно, что ток и напряжение, получаемые в результате работы одного фотоэлемента, невелики, поэтому в батарее они комбинируются определенным образом для увеличения указанных показателей. Если соединить преобразователи последовательно, то общее выходное напряжение будет пропорционально их количеству. Параллельное подключение отдельных элементов приводит к увеличению тока. Сочетая определенным образом оба типа соединений так, как показано на картинке, получают требуемые выходные параметры батареи, а следовательно, и ее мощность.

При освещении батареи не вся энергия солнечного излучения преобразуется в электричество – часть ее отражается, а также тратится на нагрев элементов. Большинство выпускаемых промышленностью фотоэлектрических панелей имеют эффективность 9-24%. Также важно знать, как работает солнечная батарея в условиях, когда некоторые из элементов затемнены. В данном случае преобразователи, на которые не попадает солнечный свет, будут превращаться в потребителей энергии и нагреваться. Поэтому группы фотоэлементов шунтируются низкоомными диодами, препятствующими прохождению тока через затемненные компоненты батареи. Панель при этом будет функционировать с меньшей мощностью.

Преобразование энергии, полученной с помощью солнечных батарей

Фотоэлектрические элементы вырабатывают постоянное напряжение, но многие виды аппаратуры питаются переменным, что требует наличия соответствующих преобразователей. Кроме того, солнечные батареи производят электричество днем, а его потребление происходит круглосуточно, следовательно, необходимы дополнительные компоненты, которые будут запасать и распределять энергию. Рассмотрим пример системы электроснабжения здания с использованием солнечных источников – небольшой гелиоэлектростанции, структура которой представлена на картинке.

Эта схема может функционировать в зданиях, где присутствует электросеть, а солнечная батарея используется для экономии потребления энергии из нее, а также в качестве резервного источника при отключении основного. Общий принцип работы системы такой: постоянное напряжение, вырабатываемое фотоэлектрическими преобразователями, поступает на инвертор, преобразующий его в переменное, и на аккумуляторы, которые, заряжаясь под управлением специального контроллера, накапливают энергию.

В данном случае приборы в доме подразделяются на резервируемые – те, для которых отключение электричества может привести к нежелательным последствиям (холодильник, системы видеонаблюдения, сигнализации), и нерезервируемые – все остальные. При отключении сети инвертор питает резервируемые устройства от солнечной батареи, а если энергии от нее недостаточно, то от аккумуляторов. Когда сеть подключена, электричество, вырабатываемое панелью, в первую очередь поступает на их зарядку. А когда в этом уже нет необходимости, инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, от которого питается нагрузка. Тем самым экономится потребление из основного источника.

Солнечные батареи могут использоваться без рассмотренной дополнительной аппаратуры для питания или зарядки портативной электронной техники, работающей от постоянного напряжения, например, калькуляторов, плееров, фонариков, мобильных устройств.

Помимо электричества, из энергии света можно непосредственно получать тепло. Для этого применяются солнечные коллекторы. Учитывая, что сегодня прослеживаются тенденции снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей и повышения их эффективности, в целом гелиоэнергетика – перспективное направление, позволяющее бесшумным и экологически чистым способом получать бесплатное электричество, а также тепло для отопления и горячего водоснабжения.

Казалось бы, совсем недавно солнечная батарея прочно ассоциировалась с космическими кораблями, орбитальными станциями и луноходами. А сейчас, устройство, способное извлекать электричество из света можно обнаружить в любом калькуляторе. Более того, в богатых солнечным светом странах с жарким летом и мягкой зимой (ученые называют их «страны с высокой инсоляцией»), таких как Италия, Испания, Португалия, южные штаты США и т.д. Солнечная энергетика является заметной статьей экономии средств на электро- и теплоснабжение. Причем экономия эта происходит как по частной инициативе граждан, так и в виде обязательных к выполнению государственных нормативных актов, как например в Испании.

Попытки заставить работать на себя энергию солнца предпринимались человечеством давно, так по легенде Архимед сжег римский флот, приказав сфокусировать множеством зеркал (в другой версии – начищенных до блеска щитов) солнечный свет на парусах римских галер. Но заметные результаты попытки подчинения энергии солнца дали только в прошлом веке. Какие же существуют пути использования солнечной энергии?

Как получить электричество

Самый очевидный путь – это преобразование световой энергии солнца в тепловую. Строго говоря, это даже преобразованием назвать нельзя, ведь свет и тепло имеют одну и ту же природу и отличаются лишь частотой, правильнее будет говорить о сборе тепла. Для сбора солнечного тепла устройства, которые так и называются - («коллектор» буквально означает сборщик). Принцип их действия предельно прост – теплоноситель (вода, реже воздух) нагревается в сделанном из теплопоглощающего материала радиаторе. Такие устройства имеют широкое применение для горячего водоснабжения частных домов.

Другой интересный способ использования энергии ближайшего светила подсказывает нам природа. За миллионы лет эволюции растения научились преобразовывать энергию солнца в энергию химических связей, синтезируя из простых веществ сложное соединение – глюкозу. Тот, кто не прогуливал в школе ботанику, конечно, догадался, что речь идет о фотосинтезе. Но не каждый задумывался об энергетической сущности этого процесса, состоящей как раз в накоплении солнечной энергии и дальнейшего ее использования (в том числе зимой) в «личных» целях. То есть речь идет о биоэнергетике. Реальной, а не той, о которой рассказывают доморощенные маги. Способ использования энергии солнца по такому принципу работы еще только ждет своего применения в рукотворной технике.

Как уже говорилось выше, самый простой способ использования в личных целях энергию солнца – это сбор тепловой энергии. Однако «самый простой» не всегда означает «самый лучший». Дело в том, что тепловая энергия – это, можно сказать, «скоропортящийся продукт». Попробуйте «законсервировать» тепло или передать его на большие расстояния. Скорее всего, затраты перекроют все возможные выгоды. Наиболее удобным для накопления и транспортировки видом энергии является электричество. Его можно без особых проблем собрать в аккумуляторах либо передать по проводам к месту, где оно будет работать, с минимальными потерями. Отсюда следует третий, самый распространенный способ использования солнечного света – преобразование его в электрическую энергию.

Как это работает

Преобразование солнечного света происходит в батареях (то есть последовательно подключенных группах) фотоэлементов, которые подучили название «солнечные батареи». По какому же принципу работают солнечные батареи?

Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. С кремнием (точнее его оксидами) мы встречаемся каждый день – это знакомый нам песок. Таким образом, можно сказать, что кремниевый кристалл – это выращенная в лаборатории гигантская песчинка. Кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).

На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.

Мощность одной пластинки-фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом. Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет.

Важным преимуществом солнечной батареи является то, что она использует свет, а не тепло, поэтому, в отличие от коллектора, солнечная батарея может работать и зимой, лишь бы облачность не закрывала солнечный свет. Существуют проекты строительства огромных полей солнечных батарей в Арктике и Антарктике, которые будут накапливать энергию во время полугодового полярного дня, который на севере наступает летом, а на юге – зимой, то есть две гигантских солнечных электростанции никогда не будут бездействовать одновременно.

Это все в далекой перспективе, а извлечь пользу из свойств солнечной батареи можно уже сегодня, оборудовав свое жилище миниатюрной гелиоэлектростанцией. Такая станция конечно вряд ли сможет полностью удовлетворить потребности хозяйства в электричестве, но, без сомнения, станет чувствительным фактором экономии семейного бюджета.