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).

Все живое на земле возникло, благодаря энергии солнца. Ежесекундно на поверхность планеты поступает огромное количество энергии в виде солнечного излучения. В то время, как мы сжигаем тысячи тонн угля и нефтепродуктов для обогрева жилища, страны, расположеные ближе к экватору изнывают от жары. Пустить энергию солнца на нужды человека - вот достойная для пытливых умов задача. В этой статье мы рассмотрим конструкцию прямого преобразователя солнечного света в электрическую энергию - солнечного элемента.

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) на основе монокристаллического кремния показана на рисунке.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий "дырочной проводимостью" (p-тип). Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора (n-тип). (О p-, n- и p-n типах см. статью о диодах). На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой - положительному.

Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше. В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д. Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35%! По технологическим причинам, отдельный солнечный элемент возможно изготовить только небольшого размера, поэтому, для большей эффективности соединяют несколько элементов в батареи.

Cолнечные батареи прекрасно зарекомендовали себя в космосе как достаточно надежный и стабильный источник энергии, способный работать очень длительное время. Главную опасность для солнечных батарей в космосе представляют космическая радиация и метеорная пыль, вызывающие эрозию поверхности кремниевых элементов и ограничивающие срок службы батарей. Для небольших обитаемых станций этот источник тока, видимо, будет оставаться единственно приемлемым и достаточно эффективным.

В профессиональных кругах панели, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, называют фотоэлектрическими преобразователями, которые в разговорной речи или при написании понятных для широких масс статей принято называть солнечными батареями. Принцип работы этих устройств, первые рабочие экземпляры которых появились достаточно давно, на самом деле достаточно простой для понимания человеком, имеющим только знания со школьной скамьи.

Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию. В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей, называемых солнечными батареями.

Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё.

На картинке выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20 % КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.сайт он примерно равен всего 10 %, при том, что для каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает.

Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом он может достигать 17 % и 15 % соответственно.

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве примесей для изготовления пластины, вырабатывающей положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой системы

В современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям.

Для увеличения мощности, выходного напряжения и тока на основе солнечных батарей создаются панели, где отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно.

Получили настолько широкое распространение, что каждый пользователь может заказать комплектующие и самостоятельно своими руками собрать и установить фотоэлектрические панели. Конечно, вопрос цены остаётся актуален, ведь солнечные панели совсем не дешёвый вариант, зато это экологично. А стоимость, с каждым годом становится всё дешевле. Так что каждый, наверняка сталкивался с идеей использования такого источника электричества, но вот принцип работы солнечной батареи знает далеко не каждый.

Видео о том, как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи

Чтобы понять как работает солнечная батарея необходимо разобраться из чего она состоит. Как правило солнечный источник энергии состоит из таких частей:

• Генератор постоянного тока (она же солнечная панель)

• Аккумулятор с контролем заряда и инвертором, преобразующим ток в переменный

• В свою очередь панель состоит из фотоэлектрических преобразователей , которые, говоря простым языком, трансформируют солнечную энергию в электрическую. Чаще всего это поликристаллические или монокристаллические кремниевые батареи. Разница в КПД и технологии производства.

Принцип работы солнечной электростанции заключается в последовательном взаимодействии ряда элементов единой сети. Соединяются элементы в солнечной панели последовательно и параллельно. Делается это для того, чтобы увеличить мощность, напряжение и ток. Плюс, такое соединение обезопасит при выходе из строя одного элемента — остальные детали цепи.

• Также батареи пронизаны так называемыми диодами. Принцип действия солнечных батарей основывается именно на этих элементах. Такие диоды предохраняют панель во время частичного затемнения. Во время таких затемнений, батарея не прерывает свою работу, но вырабатывает на четверть меньшую мощность. Суть в том, что диоды не дают перегревать солнечные элементы, которые во время затемнения начинают потреблять электричество вместо того, чтобы вырабатывать.

• Дальше электроэнергия накапливается в аккумуляторах. А после уже отдаётся в систему. Важный момент в том, чтобы количество параллельно и последовательно соединённых элементов в солнечной панели, было расчитано таким образом, чтобы напряжение, которое подведено к аккумуляторам, превышало напряжение самого аккумулятора. Даже с учётом просадки. При этом нагрузочный ток солнечной батареи должен обеспечивать достаточное количество зарядного тока. Этот параметр обязательно учитывается при .

• Ещё один важный фактор в работе солнечных панелей — полезная мощность. Именно этот показатель отражает экономичность использования для пользователя. Высчитывается такая мощность исходя из напряжения и выходного тока установки. А эти показатели в свою очередь зависят от силы солнечного освещения, которое попадает непосредственно на панель. Кстати, слишком большие температуры для работы солнечных батарей не полезны. Ведь при интенсивном нагревании солнцем, у электровырабатывающих элементов падает так называемая электродвижущая сила. Тем не менее, чем ярче освещения от солнца, тем больший ток вырабатывается.

Теперь немного формул о принципе работы солнечных батарей.

Как работает солнечная панель? К примеру, солнечная батарея замкнута на нагрузку с измерянным сопротивлением (Rн) . В цепи, следовательно, появляется ток (I) . При этом показатель I формируется в прямой зависимости от качества преобразователя в цепи, силой солнечного освещения и сопротивления. Далее разберём Uн . Uн — это напряжение, которое создаётся на зажимах солнечных батарей. В итоге зная эти показатели, мы можем высчитать мощность, которая появляется в нагрузке на установку: Pн = IнUн

Однако оптимальное сопротивление у каждой панели своё и зависит оно от уровня КПД.

• При пасмурной погоде заряд аккумуляторов из-за меньшей выработки панелями электричества, естественно снижается. Во время такого процесса, электроэнергию принимает приёмник. Другими словами, аккумуляторы работают всегда либо на заряд либо на разряд. Этот механизм взаимодействия управляется контроллером.

• Чаще всего работа аккумуляторов в цепи устроена таким образом, что они очень быстро заряжаются до 80-90%, а потом долго набирают остаток заряда. На сегодняшний день самые эффективные для использования в системах альтернативного снабжения электроэнергией батареи — гелевые. Такие батареи не требуют обслуживания и неприхотливы в условиях работы. При этом срок службы обычно достигает 10 лет.

Контроллер, резистор и инвертор

• Контроллер необходим для подключения аккумуляторов в сеть. Он контролирует заряд.

• Резистор поглощает избыточную мощность выработки электроэнергии.

• Инвертор необходим для нормального снабжения электросети, кроме тех случаев, когда необходимо запитать приёмники, которые работают от постоянного напряжения, а не от переменного.

Конечно, разобраться во всех тонкостях работы сложно. Но надеемся, Вы найдёте ответы на страничках нашего сайта. Более наглядно работу солнечных элементов можно понять из графических схем.

Почти 100% всей энергии, которую мы используем в повседневной жизни – это энергия солнца, так или иначе преобразованная. Уголь – это умершие растения, которые жили благодаря фотосинтезу, нефть – растения и животные, которые вымерли миллионы лет назад и росли за счет энергии солнца. Даже когда вы сжигаете дрова – вы даете выход солнечной энергии, которую в себя впитала древесина. По сути, любая тепловая электростанция преобразовывает аккумулированную в виде угля, нефти, газа и др. ископаемых солнечную энергию в электричество.

Солнечная батарея просто делает это напрямую, без участия «посредников». Электричество – наиболее удобная форма применения солнечной энергии. Весь быт человечества сейчас построен вокруг электричества, и цивилизацию без него очень сложно представить. Несмотря на то, что первые фотоэлементы появились более полувека назад, солнечная энергетика пока не нашла должного распространения. Почему? Об этом в конце статьи, а пока разберемся, как это все работает.

Все дело в кремнии

Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.

Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.

Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры)

Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.

"Сэндвич" из кремния и токопроводящих слоев

Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.

Структура атомов кремния

Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:

• Кремний N-типа имеет избыток электронов
• Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)

Кремний Р и N типа

Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.

Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р - сторону пластины.

После "освобождения" электрон стремится к проводнику

Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка:) . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».

Работа фотоэлемента

Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.

Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.

Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?

Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.

1. Неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие и это тоже непостоянною. Солнечной энергии гораздо меньше в пасмурные дни и совсем нет ночью. И чтобы полностью рассчитывать на солнечную энергию, необходимы эффективные способы получения электричества для всех областей.
2. КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
3. Хранение. Самым слабым звеном в солнечной энергетике является отсутствие эффективного и дешевого способа сохранять полученную электроэнергию. Существующие аккумуляторные батареи тяжелы и значительно снижают эффективность и без того слабые показатели солнечной системы. В целом, хранить 10 тонн угля проще и удобнее, чем 46 мегаватт, выработанных этим же углем или солнцем.
4. Инфраструктура. Для того, чтобы питать мегаполисы – площадей крыш этих городов будет недостаточно, чтобы удовлетворить все запросы, поэтому для внедрения солнечной энергетики нужно транспортировать энергию, а для этого необходимо строить новые энергетические объекты

Видео о том, как производят солнечные батареи.

В ролике подробно описывается процесс изготовления поликристаллических солнечных батарей, принцип их работы в системе солнечных электростанций, принцип работы контроллера заряда и инвертора.