Принцип работы солнечных батарей

Солнечные батареи

Как работают солнечные батареи и как они на самом деле вырабатывают энергию? Как солнечный свет позволяет нам создавать электричество?

Использование солнечной энергии берет свое начало тысячелетия назад. В некотором смысле, применение линзы для усиления силы лучей Солнца лежит в основе преобразования света в энергию. Естественно, мы добились большого прогресса со времен римлян и греков, которые задействовали солнечные лучи и зеркала для зажигания факелов. Сегодня, согласно журналу Renewables International, использование фотоэлектрических устройств (причудливый термин, который будет объяснен позже) в среднем увеличивается на 40% с 2000 года, а применение концентрированной солнечной энергии достигает новых высот с точки зрения всемирного расширения.

Уже запутались? Тогда давайте начнем с самого начала.

Весь свет, включая солнечный, является энергией. Обычно, попав на объект, эта энергия превращается в тепло. Любой, кто когда-либо бывал на улице, знаком со столь банальной концепцией - стой на солнце, и оно согреет. Солнечные батареи, однако, не тратят свое драгоценное время на тепло, они предназначены для производства электричества. Свет, состоящий из квантованных пучков, называемых фотонами, не заставляет молекулы солнечного элемента вибрировать и выделять тепло, как это происходит с обычными телами. Скорее фотон будет поглощен, разрушит связь молекулы и выбьет электрон. Повторите этот процесс сто раз или больше, и получите электрический ток. Естественно, все немного сложнее, чем мы описали.

Солнечные батареи из полупроводникового материала не превращают свет в тепло, а производят электрический ток. Затем этот ток может быть использован как сила.

Что мы подразумеваем под «полупроводниковыми материалами»?

Возьмем самый популярный - кремний. Он имеет четыре электрона на своей внешней орбите, что делает его идеальным для создания кристаллов благодаря способности легко образовывать решетки. Но это также означает, что у кремния нет свободных электронов, которые могли бы перемещаться, создавая электрический ток. Однако с помощью специальной процедуры, известной как «легирование», к кристаллу кремния добавляется примесь (фосфор или мышьяк). Когда все это сделано, появляются одинокие и свободные электроны, которые (если вы помните школьный курс физики) создадут электрический ток за счет движения.

Кстати, мы только что определили очень важное понятие.

как работают солнечные батареи

Фотогальваника - это процесс преобразования солнечного света в электричество с использованием полупроводниковых материалов, которые демонстрируют так называемый фотоэлектрический эффект.

А что такое фотоэлектрический эффект? Вроде того, что мы только что заявили - создание электричества в некотором типе материала, когда упомянутый материал подвергается воздействию света. Таким образом, полупроводниковые материалы используются для строительства фотоэлектрических элементов, также известных как солнечные элементы. Именно эти солнечные элементы способны генерировать электричество из света Солнца.

Кстати, происхождение слова «фотоэлектрический» происходит от слов «photos» (что в переводе с греческого означает «свет») и «voltaic» (имя «итальянского ученого» Алессандро Вольта, пионера в мире электричества и изобретателя первой батареи - Вольтов столб)

Эммануил Сакс из Массачусетского Технологического Института сделал новаторскую работу по повышению эффективности солнечных элементов, изготовленных из поликристаллического кремния. Но сегодня кремний используется все меньше, в основном из-за затрат, связанных с выращиванием крупных кристаллов. Солнечная индустрия обратилась к новым разработкам, включая так называемые «тонкопленочные» солнечные технологии.

Тонкость солнечного элемента является определяющей характеристикой фотоэлектрической технологии.

Итак, что мы подразумеваем под этим? Для сравнения: кремниевый солнечный элемент имеет слои толщиной около 350 микрон (где 1 микрон составляет одну миллионную часть метра или 1/1 000 000 м). Именно эти слои отвечают за поглощение солнечного света, поэтому чем они толще, тем менее эффективным становится солнечный элемент. Не забывайте, что свет может подвергаться преломлению, отражению и пропусканию, а не просто поглощаться солнечным элементом. Таким образом, большая толщина может создать больше препятствий для удачных фотонов, которые с полной силой ударяются о наши ячейки.

По сравнению с архаичными кремниевыми собратьями, тонкопленочные солнечные элементы имеют светопоглощающие слои толщиной всего около одного микрона. Как следует из их названий, они создаются путем нанесения тонких слоев светопоглощающего материала на подложку (также называемую «пластиной») - будь то пластик, металл или стекло с покрытием.

Эти тонкие полупроводниковые пластины обрабатываются так, что они образуют электрическое поле, которое по определению имеет противоположную полярность (то есть одна сторона пластины является отрицательной, а другая - положительной). Таким образом, электроны освобождаются (или выбиваются из своей атомной конфигурации), когда энергия в форме солнечного света попадает на солнечный элемент. Правильное размещение электрических проводников сформирует электрическую цепь, которая заставит электроны двигаться в петле. И снова, вуаля: теперь у нас есть электричество.

«Фундаментальное преимущество тонких пленок заключается в количестве необходимого вам материала», - утверждает инженер-электрик Джефф Бритт, технический директор компании Global Solar Energy, производящей тонкопленочные элементы. По его словам, только один или два микрона толщиной солнечного элемента могут поглощать примерно 98 процентов света, что по меньшей мере в сто раз меньше материала, необходимого кремниевым ячейкам для поглощения того же количества света.

Естественно, использование только одного солнечного элемента мало что даст. Соединение нескольких фотоэлектрических ячеек вместе и установка их в опорную раму создает фотоэлектрический модуль, который мы чаще называем солнечная батарея или панель. Каждая фотоэлектрическая панель подает электричество в определенном напряжении. Количество света, поглощенного солнечной батареей в течение определенного периода времени, переводится в мощность. Таким образом, применяя старые добрые законы физики, известные со школы, деление мощности на напряжение даст нам значение силы тока.

На этом все не останавливается. Большое количество панелей может быть объединено в единый массив. В зависимости от того, какое напряжение и ток необходимы, солнечные батареи соединяют последовательно или параллельно. Говоря в общем (и логически), чем больше солнечная панель и чем больше их количество, тем больше света будет поглощено, и тем больше электричества будет произведено.

Изучаются и другие виды технологий использования солнечной энергии. Например, в начале 2015 года факультет искусств и наук Гарвардского университета сделал инновационную работу по созданию «бионического листа», разработанного для задействования процесса фотосинтеза в выработке энергии.

Эффективность солнечных батарей означает, какая часть солнечной энергии будет преобразована в электроэнергию с помощью фотоэлектрической технологии.

Высокая эффективность использования солнечной энергии позволяет конкурирующим солнечным компаниям предлагать своим клиентам более низкие затраты на электроэнергию. В 2015 году Илон Маск объявил о выпуске новой панели, которая могла бы производить электроэнергию по низкой цене 0,55 долл. за ватт. Эти солнечные батареи, по-видимому, могут достигать КПД 22,5%, что тогда лишь на немного превосходило продукцию нынешнего лидера SunPower - всего на один процент. Сейчас эффективность панелей SunPower поднялось до 22,8%, что как видите тоже не на много выше.

Интересно, что существует несколько типов солнечных элементов, которые достигают чрезвычайно высокого КПД, но сегодня эти технологии не доступны или еще не внедрены. На приведенной ниже диаграмме, собранной Национальной Лабораторией Возобновляемых Источников Энергии (NREL), представлен отчетный график эффективности преобразования энергии солнечными элементами.

Эффектривность солнечных элементов

Независимо от типа используемого полупроводникового материала, общие меры, применяемые для повышения КПД солнечной батареи, включают в себя обеспечение того, чтобы панели были перпендикулярно обращены к Солнцу. Это оптимизирует поглощение света, максимизируя так называемый коэффициент заполнения (инженерный термин, относящееся к соотношение количества энергии, которое может быть получено относительно напряжения и тока). Также иногда используются специальные трекеры, которые позволяют отслеживать положение Солнца и направлять панели прямо лицом к светилу.

По словам физика Стивена Чу, директора Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли, Земля получает около 4,3 х 10^20 Дж солнечной энергии в час - этого достаточно, чтобы обеспечить все потребности в энергии на нашей планете в течение года.

В прошлом панели в основном применялись для снижения затрат на управление электричеством в доме или на предприятии, когда не хватало других источников (уголь и ископаемое топливо).

Сегодня, когда люди все сильнее заботятся об экологической чистоте и экономии, энергия Солнца приобретает все большую популярность во всех видах промышленного, частного и коммерческого секторов. К ним относятся исследование и разработка новых технологий, создание впечатляющих гаджетов, строительство аэропортов на солнечных батареях по всему миру и многое другое.

Так что следите за миром: солнечные технологии уже здесь, они останутся, будут питать нашу планету и, возможно, наши космические корабли тоже!

Новостная рассылка

Следите за нашими непревзойденными продуками и технологиями.
Введите ваш e-mail и подпишитесь на нашу новостную рассылку.

Вам нужна консультация?

Оставьте заявку, и мы свяжемся с вами в ближайшее время