Принцип работы солнечной батареи и ее конструкция

Уже почти два века человечество напряжённо думает, где и как достать необходимое количество электрической энергии для своих многочисленных изобретений и возрастающих потребностей.

За это время появились могучие электростанции, масштабные ГЭС, сила расщеплённого атома и мощь бурных рек пришла на помощь человечеству.

Особенно стремительно развиваются в различных регионах Земли в последние десятилетия такие альтернативные источники энергии, как ветровые станции и солнечные батареи.

Учитывая, что угасание Солнца ожидается лишь через 4-5 млрд. лет, такой источник энергии, как солнечные батареи можно считать неисчерпаемым. Поговорим о нём. Что это такое, откуда взялось и как устроено.

Изобретение

Инсолятор О. МушоПервым, кто смог экспериментально обнаружить взаимодействие между светом и электрической энергией, был знаменитый немецкий физик Генрих Герц. Также известно, что явление, аналогичное открытому позднее фотоэффекту наблюдал и исследовал в 2019 г. Эдмон Беккерель.

Он сумел выяснить, что ультрафиолет значительно способствует возникновению и прохождению разряда между двумя проводниками электрической энергии. Однако, проведя ряд экспериментов, Герц не стал больше развивать эту тему.

Первую в мире, работоспособную схему по выработке и передаче электрической энергии с применением лучей света произвёл русский учёный из Москвы Александр Столетов. Он создал прообраз первого в мире фотоэлемента.

Француз Огюст Мушо в конце позапрошлого столетия сумел создать систему, при которой сфокусированные и преобразованные солнечные лучи приводили в движение печатную машину.

Развитие исследований по преобразованию солнечной энергии в электрическую в 20 веке ознаменовалось работой А. Эйнштейна по открытию фотоэффекта (явление отрывания заряженных частиц от поверхности некоторого вещества, находящегося под действием другого вещества или света).

Это привело к появлению первых фотоэлементов на основе селена (Se – 34), а затем и таллия (Tl – 81). В 2019 гг. учёными-физиками Академии наук СССР был создан медно-таллиевый (Cu-Tl) фотоэлемент с наибольшим для тех времён КПД в 1%.

Появившиеся позднее фотоэлементы на основе Кремния (Si-14) имели в 6 раз больший КПД. В 2019 г. была разработана первая в мире солнечная батарея. Спустя всего 5 лет учёные СССР установили первые солнечные батареи на искусственный спутник Земли №3.

Третий искусственный спутник Земли (СССР, 15 мая 2019 г.) с солнечными батареями.В 1970-х гг. прошлого века учёные выяснили, что полупроводники лучше многих металлов образуют электрический ток из света. С тех пор появилось множество новых видов и материалов для производства солнечных батарей.

Именно открытие фотоэффекта, произведённое А. Эйнштейном, и привело к возникновению и развитию индустрии солнечных батарей.

Как устроена

Система СБИтак, солнечная батарея – система взаимосвязанных элементов, структура которых позволяет, используя принцип фотоэффекта, преобразовывать попадающий на них под определённым углом солнечный свет в электрический ток.

Система, преобразующая солнечный свет в электрическую энергию состоит из следующих комплектующих элементов:

  1. Материал-полупроводник (плотно совмещённые два слоя материалов с разной проводимостью). Это может быть, например, монокристаллический или поликристаллический кремний с добавлением других химических соединений, позволяющих получить нужные для возникновения фотоэффекта свойства.

    Для возникновения перехода электронов из одного материала в другой необходимо, чтобы один из слоёв имел избыток электронов, а другой – их недостаток. Переход электронов в область с их недостатком называют p-n переходом.

  2. Тончайший слой элемента, противостоящего переходу электронов (размещается между этими слоями).
  3. Источник электропитания (если его подключить к противостоящему слою, электроны смогут легко преодолевать эту запорную зону). Так возникнет упорядоченное движение зараженных частиц, именуемое электрическим током.
  4. Аккумулятор (накапливает и сохраняет энергию).
  5. Контроллер заряда.
  6. Инвертор-преобразователь (преобразование получаемого от солнечной батареи постоянного электрического тока в переменный ток).
  7. Стабилизатор напряжения (предназначен для создания напряжения нужного диапазона в системе солнечной батареи).

Схема работы солнечной панелиФотоны света (солнечный свет), попадающие на поверхность полупроводника при столкновении с его поверхностью передают свою энергию электронам полупроводника. Выбитые вследствие удара из полупроводника электроны преодолевают защитный слой, имея дополнительную энергию.

Таким образом, отрицательные электроны покидают p-проводник, переходя в проводник n, положительные – наоборот. Такому переходу способствуют существующие в проводниках на тот момент электрические поля, которые в последствие увеличивают силу и разность зарядов (до 0.5 В в небольшом проводнике).

Намереваясь приобрести солнечную батарею или изготовить её, тщательно просчитайте:

  • стоимость такой батареи и необходимого оборудования;
  • необходимое вам количество электрической энергии;
  • количество необходимых вам батарей;
  • число солнечных дней в году в вашем регионе;
  • необходимую вам площадь для установки солнечных батарей.

Сила тока

Сила электрического тока в солнечном элементе зависит от таких факторов, как:

  • количество света, попавшего на поверхность элемента;
  • интенсивность излучения источника света;
  • площадь принимающего фотоны элемента;
  • угол падения света на принимающий элемент;
  • время эксплуатации элемента;
  • КПД системы (в настоящее время у самых передовых аналогов он составляет не более 24%. О КПД солнечных батарей Вы можете прочитать в этой статье.);
  • температура окружающего воздуха (чем выше она, тем больше у элемента сопротивление).

Элементы для улучшения работы

СБ на солнечном трекереДля организации более эффективной работы фотоэлементов в конструкции солнечной батареи используют диод Шоттки.

Он представляет собой диод полупроводникового типа, который имеет меньше по сравнению с другими конструкциями падение напряжения при включении напрямую.

Он работает на основе использования перехода p-n типа в среде “металл-проводник”. Сравнение с кремниевыми диодами показывает, что прямое напряжение снижается в среднем с 0,65 В до 0,35 В, что способствует росту КПД системы.

Для более эффективного попадания солнечного света на поверхность батареи разработано и используется специальное устройство – солнечный трекер. Данное устройство предназначено для слежения за движением Солнца и поворота солнечной панели (батареи) таким образом, чтобы на её поверхность попадало как можно больше солнечных лучей (оптимизация угла падения лучей).

Для более рационального соединения двух и более панелей солнечных батарей и получения нужного сопротивления в такой системе используются специальные сертифицированные коннекторы, например МС4 Т (male+female).

Преимущества и недостатки

Положительными чертами данного вида выработки энергии являются:

  • экологичность (не загрязняет окружающую среду);
  • долговечность (при бережном использовании фотоэлементы прослужат несколько десятков лет);
  • достаточно простой принцип работы.

Минусами системы являются:

  • сложность сборки самой системы и наладки её работы;
  • низкий КПД (требуется очень большая площадь солнечных батарей для обеспечения нужд даже небольшой семьи. Для 3-4 чел, потребляющих 200 Кв в месяц, нужно 12-15 кв. метров батарей);
  • достаточно высокая стоимость и низкая окупаемость системы.

Использование солнечной энергии в мире

Комплекс солнечных батарей в ГерманииМногие государства всерьёз задумались о масштабном производстве и использовании солнечной энергии.

Лидерами по производству энергии с помощью солнечных батарей являются США, Япония и Германия.

Производство солнечной энергии получает своё развитие и в России.

В настоящее время в РФ уже построено следующее количество установок по производству солнечной энергии:

  • Краснодарский край – 46 ед.;
  • Дагестан – 8 ед.;
  • Ставропольский край – 2 ед.;
  • Бурятия, Хабаровский край, Костромская область – по 1 ед.

Бурное развитие данной отрасли во всем мире оставляет надежду на то, что в будущем этот неисчерпаемый источник экологичной энергии станет основным для населения планеты.

Смотрите видео, в котором подробно рассказывается об устройстве и производстве солнечных панелей:

До недавнего времени идея обеспечить свой дом автономным источником электрического питания казалась чем-то фантастическим и нереальным. В наши дни такая возможность появилась благодаря разработанным учеными и конструкторами специальным фотопластинам, которые лежат в основе принципа работы солнечной батареи. В Европе многие владельцы частных домов уже установили подобное оборудование и даже продают излишки полученной энергии. Такие устройства применимы в регионах, где очень много солнечных дней.

Важная информация о технологии

Если детально рассматривать солнечную батарею, принцип работы понять несложно. Отдельные участки фотопластины меняют проводимость на отдельных участках под воздействием ультрафиолетового излучения.

В результате происходит преобразование солнечной энергии в электрическую, которую можно сразу использовать для электроприборов, или же накапливать на съёмных автономных носителях.

Чтобы более подробно понять такой процесс, нужно оценить несколько важных аспектов:

  1. Солнечная батарея — это специальная система фотоэлектрических преобразователей, которые образуют общую конструкцию и соединены в определенной последовательности.
  2. В структуре фотопреобразователей находится два слоя, которые могут отличаться типом проводимости.
  3. Для изготовления этих преобразователей используют кремниевые пластины.
  4. Также к кремнию добавляется фосфор в слое n -типа, что вызывает появление избытка электронов с отрицательно заряженным показателем.
  5. Слой р-типа изготовляют из кремния и бора, что приводит к образованию так называемых «дыр».
  6. В конечном итоге оба слоя располагаются между электродами с разным зарядом.

Принцип действия

Эти устройства многие экологи называют источником энергии будущего. Дело в том, что они, если не считать само производство приборов, экологически безопасны.

На панель с отрицательным зарядом воздействует ультрафиолетовый свет, который способствует прогрессивному формированию дополнительных отрицательных электронов и так называемых «дырок». Воздействие электрического поля, находящегося в р- n переходе, начинается разделение положительно и отрицательно заряженных частиц.

Первые элементы уходят в верхний слой, а вторые — в нижний. В результате образуется разность потенциалов, или постоянное напряжение. Если вкратце описать дальнейший процесс, то здесь фотопреобразователь работает словно батарейка. И как только на него воздействует дополнительная нагрузка, в цепи появляется электрический ток, сила которого зависит от разных факторов, включая:

  1. Уровень инсоляции.
  2. Размер преобразователя.
  3. Тип фотоэлемента.
  4. Общее сопротивление электроприборов, которые присоединены к панели.

Виды панелей

В настоящее время распространены разные виды солнечных батарей. В их числе:

  1. Поли- и монокристаллические.
  2. Аморфные.

Для монокристаллических панелей характерна невысокая продуктивность, однако они стоят относительно недорого, поэтому очень популярны. Если необходимо оборудовать дополнительную систему электропитания для альтернативной подачи тока при отключении основной, то покупка такого варианта вполне оправдана.

Поликристаллы находятся на промежуточной позиции по этим двум параметрам. Такие панели можно использовать для обеспечения централизованной подачи электроэнергии в тех местах, где доступа к стационарной системе по каким-либо причинам нет.

Что касается аморфных панелей, то они демонстрируют максимальную продуктивность работы, но это существенно повышает стоимость оборудования. В устройствах этого типа присутствует аморфный кремний. Стоит отметить, что приобрести их пока нереально, поскольку технология находится на стадии экспериментального применения.

Роль контроллера в батареях

Описанные выше фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии могут быть достойной альтернативой для централизованных систем подачи электрической энергии, при условии, что их перестанут оснащать контроллерами, регулирующими степень заряда оборудования.

Предназначение таких элементов заключается в эффективном перераспределении получаемой энергии и дальнейшем направлении её к источнику потребления. Также эти детали способны сохранять полученный запас в аккумуляторе.

Сегодня распространены разные типы контроллеров, которые могут отличаться друг от друга степенью увеличения общей эффективности системы.

Кроме крупных, недешевых панелей в продаже предлагается множество доступных приборов, которые работают по такому же принципу. В последнее время получили популярность так называемые солнечные фонари, которые используются для декоративного освещения в ландшафтном дизайне.

Подобные осветительные приборы работают по тому же принципу: в верхней части размещена фотопластина. На протяжении солнечного дня эта деталь улавливает и преобразует солнечную энергию, которая затем сохраняется в небольшой батарее, размещенной у основания фонарика. Прибор расходует энергию в ночное время суток.

Аморфные кремниевые панели

Изделия аморфного типа, изготовленные из кремния, получают широкое распространение. В каждой панели есть пластины из стека, пластика или же фольги, на которые нанесен слой кремния, который создаются с помощью технологии напыления частиц в вакуумной среде.

Коэффициент полезного действия намного ниже, чем у остальных типов, т. к. он составляет всего лишь 6 процентов. К тому же кремниевые слои способны выгорать на солнце и уже через шесть месяцев эксплуатации терять эффективность. В конечном итоге она падает на 15, а иногда и на 20 процентов. Срок службы подобных приборов ограничивается двумя годами.

У подобных батарей есть определенные плюсы, которые делают их очень популярными:

  1. Системы способны работать даже в пасмурную погоду.
  2. Их стоимость на фоне модернизированных изделий более привлекательна.

В последнее время популярность стремительно набирают гибридные фотопреобразователи. В их основе — микрокристаллы, которые размещены на аморфном кремнии. По принципу действия эти панели сходны с поликристаллическими, отличаясь лишь более высокими мощностями вырабатываемого тока при воздействии рассеянного солнечного света, например, в пасмурную погоду или на рассвете.

К тому же их можно использовать не только под прямым ультрафиолетовым излучением, но и в инфракрасном диапазоне.

Пленочные полимерные преобразователи

Считаются достойной альтернативой для кремниевых изделий и заслуживают лидирующей позиции в списке самых продуктивных панелей на рынке. Уже из названия понятно, что такие батареи — это пленка, состоящая из нескольких слоев. Это сетка алюминиевых проводников, полимерный слой активного вещества, органическая подложка и защитная пленка.

Фотоэлементы соединены воедино и формируют пленочную солнечную батарею рулонного типа. В процессе производства выполняется многослойное нанесение на пленку фотоэлемента.

Такие приборы обладают небольшим весом и компактнее классическим кремниевых моделей. Для изготовления не нужно использовать дорогие материалы, а сам производственный процесс гораздо дешевле. В результате рулонные панели более востребованы из-за своей дешевизны.

Однако простой принцип действия существенно снижает показатели коэффициента полезного действия, поэтому он составляет всего лишь 6 процентов. Из минусов также отмечается лишь небольшая распространённость, т. к. модели пока находятся на стадии экспериментирования и практически не доступны для общего пользования.

Среди весомых преимуществ технологии — возможность изменять размер батареи, подгоняя его под любые параметры. Как считают эксперты, вскоре такие изобретения станут очень популярными, поэтому компании смогут запустить производство в больших масштабах.

Обустройство системы отопления

В настоящее время набирает популярность инновационные отопительные системы, работающие на основе солнечных преобразователей. Это самостоятельные устройства с уникальными конструктивными и техническими параметрами, отличающимися от солнечных батарей.

В качестве основного рабочего элемента для отопительных систем используется коллектор, который принимает солнечный свет и автоматически преобразовывает его в кинетическое электричество. Площадь такой части варьируется от 30 до 70 квадратных метров. Чтобы зафиксировать коллектор нужно применять дополнительную технику, а для соединения пластин между собой используются металлические контакты.

Следующий компонент системы солнечного отопления — накопительный бойлер. Он обеспечивает эффективную трансформацию кинетической энергии в тепловую, и вызывает нагревание жидкости, объёмом до 300 литров. В некоторых случаях для поддержания оптимальной температуры воды используются дополнительные котлы на сухом топливе.

Завершающим узлом подобной системы являются напольные и настенные элементы, где по медным трубам циркулирует подогретая вода. За счёт низкой температуры запуска батарей и равномерной теплоотдачи, прогрев помещения осуществляется достаточно быстро.

Чтобы понять, как работают системы отопления дома на солнечных панелях, необходимо более подробно рассмотреть принцип их действия.

Между температурными показателями коллектора и накопительного элемента формируется определенная разница. Теплоноситель, в роли которого используется вода с антифризом, стремительно циркулирует по системе, в результате чего образуется кинетическая энергия.

После прохождения жидкости через отдельные слои системы, полученная энергия становится теплом, которое и обогревает помещение. Из-за таких особенностей в доме всегда сохраняется оптимальный температурный диапазон независимо от времени суток и года. Кстати, рынок таких систем постоянно расширяется, поэтому в ближайшем будущем они будут доступны для каждой среднестатистической семьи.

Как работают гелиосистемы

Однако мощности одного фотоэлемента не хватает, для обеспечения большинства хозяйственных нужд, т. к. даже при продолжительном световом дне он не способен выдавать необходимое количество электрической энергии. Потому для повышения выходной мощности используют несколько фотопреобразователей, которые объединяются друг с другом по параллельной схеме. В результате происходит регулярное увеличение постоянного напряжения. В свою очередь, силу тока повышают последовательным образом.

Продуктивность работы солнечных панелей зависит от некоторых факторов:

  1. От температуры воздуха и самой панели.
  2. От правильно выбора адекватного сопротивления нагрузки.
  3. От угла падения ультрафиолетовых лучей.
  4. От наличия или отсутствия антибликовых покрытий.
  5. От мощности светового излучения.

Важно понимать, что чем ниже показатели внешней температуры воздуха, тем лучше будет работать фотоэлемент и гелиобатарея в целом. Здесь всё объясняется простым принципом. А вот что касается расчёта нагрузки, то в данном случае ситуация выглядит сложнее. Эти показатели подбираются с учётом выдаваемого тока, но его величина способна меняться в зависимости от погодных условий.

Вести ручной мониторинг изменяющихся параметров батареи и постоянно подстраивать их проблематично. Вместо этого, целесообразно оборудовать систему автоматическим контроллером, который будет в автоматическом режиме изменять параметры гелиопанели, стремясь достичь максимальной продуктивности работы и оптимальных конфигураций.

Наукой доказано, что идеальный угол падения ультрафиолетовых лучей на гелиобатареию — прямой. Но если замечается отклонение в радиусе 30 градусов, серьезных потерь не ожидается, ведь эффективность снижается лишь на 5−10 процентов. Если же угол продолжает меняться, КПД ФЭП существенно упадёт.

Теперь вам известно, как работают разные типы солнечных батарей, которые стремительно превращаются из предмета роскоши в необходимую часть современной жизни.

солнечные батареи

В солнечных элементах и панелях (батареях) солнечных элементов для получения электрического тока используется энергия Солнца — мощность потока солнечного излучения на один квадратный метр составляет примерно 2019 Ватт.

Принцип действия солнечного элемента

Строение простого солнечного элемента и основной принцип его действия следующие. Берется обычный полупроводник — две пластины, присоединенные друг к другу. Они изготовлены из кремния с добавлением в каждую из них определенных примесей, благодаря которым получаются элементы с нужными свойствами: первая пластина имеет избыток валентных электронов, у второй же, наоборот, их недостаточно. В итоге, в полупроводнике есть слой отрицательно заряженный и слой положительно заряженный, т.е. слои «n» и «p».

На самой границе соприкосновения этих пластин находится зона запирающего слоя. Этот слой препятствует переходу избыточных электронов из слоя «n» в слой «p», где электронов не хватает (места с отсутствующими электронами называют дырками). Если подключить к подобному полупроводнику внешний источник питания («+» к «p» и «-» к «n»), то внешнее электрическое поле заставит электроны преодолеть замыкающую зону и через проводник потечет ток.

Нечто подобное происходит и при действии солнечного излучения на солнечный элемент. Когда фотон света влетает в слои «n» и «p», он передает свою энергию высвобождаемым электронам (находящимся на внешней оболочке атомов), а на их месте появляется дырка. Электроны с полученной энергией свободно преодолевают запирающий слой полупроводника и переходят из слоя «p» в слой «n», а дырки, наоборот, переходят из слоя «n» в слой «p».

Этому переходу электронов их области «p» в область «n» и дырок из области «n» в область «p» также способствуют электрические поля положительных зарядов, находящийся в зоне «n» проводника и отрицательных — в зоне «p», которые будто втягивают в себя, одни — электроны, другие — дырки. В итоге, слой «n» приобретает дополнительный отрицательный заряд, а «p» — положительный. Результатом этого явления будет появление в полупроводнике разности потенциалов (напряжения) между двумя пластинами близкой к 0.5 В.

Сила электрического тока, который может генерировать солнечный элемент, изменяется пропорционально количеству захваченных поверхностью фотоэлемента фотонов. Этот показатель, в свою очередь, также зависит от множества дополнительных факторов: интенсивности светового излучения, площади фотоэлемента, времени эксплуатации, КПД устройства, зависит от температуры (при ее повышении, проводимость фотоэлемента значительно падает).

Вот почему нужно помнить о следующем: солнечные элементы (фотоэлементы, батареи) не способны быть очень мощными, они не могут работать в непрерывном режиме (через естественную смену дня и ночи), для стабилизации основных параметров — силы тока и напряжения — появляется необходимость в использовании дополнительных устройств (стабилизаторы, аккумуляторы и т.д.).

Но как дополнительный источник электроэнергии они прекрасно могут использоваться в тех местах, где требуются небольшие мощности и нет возможности подключится к городской электромагистрали. При совмещении работы солнечного элемента и электрического аккумулятора, получается полностью автономная система электроснабжения, которую можно использовать в районах с хорошей солнечной освещенностью и потребностью в малых электрических мощностях.

Строение солнечного элемента

На изображении, показанном выше, можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который имеет избыток электронов, соединен с металлическими пластинами, которые выполняют роль положительного электрода, пропуская свет и добавляя элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечного элемента имеет недостаток электронов, к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20% КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.sun-battery.biz он примерно равен всего 10%, при том, что для некоторых солнечных батарей он больше, для некоторых меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен pn переход. Наиболее применяемыми и имеющими наибольший процент КПД, продолжают быть солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все более распространенными.

К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические имеют исключительно черно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи изготавливаются методом литья, они оказались дешевле в производстве. Однако и в поли-, и в монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не имеют гибкости, которая в некоторых случаях нужна.

Ситуация изменилась с появлением в 2019 году солнечного элемента на основе аморфного кремния, активный элемент которого имеет толщину от 0,5 до 1 мкм и обеспечивает ей гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на свойство аморфного кремния поглощать свет, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного кремния, эффективность солнечных батарей такого типа не превышает 12%. Для моно-и поликристаллических вариантов 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 добавок для изготовления пластины, которая производит 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 им солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой так называемые системы. Учитывая, что солнечные элементы производят электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически ненужными. С системами на солнечных батареях все по-другому. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его производит, а ночью накопленный заряд может отдаваться потребителям.