Принцип работы солнечной батареи схема: Солнечные батареи: принцип работы, как сделать своими руками в домашних условиях

Важный момент: ни накопление, ни сила тока совершенно не соответствуют возможным параметрам современной бытовой техники, поэтому приходится перераспределять и накапливать электроэнергию.

Приведем пример работы дополнительных аккумуляторов. Когда на улице хорошая и солнечная погода, то заряд идет быстро и через малое количество времени появляется уже лишняя энергия.

Поэтому весь этот процесс контролирует специальный реостат, который способен в определенный момент перевести всю ненужную электроэнергию в дополнительные резервы.

Познакомиться с отзывами владельцев солнечных батарей можно в данной статье: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-dlya-doma-otzyivy.html

Принцип работы

Во-первых, фотоэлементы являются кремниевыми пластинами. В свою очередь, кремний по своему химическому составу имеет максимальную схожесть с чистым силицием. Именно этот нюанс дал возможность понизить стоимость солнечной батареи и запустить ее уже на конвейер.

Кремний в обязательном порядке кристаллизуют, так как сам по себе он является полупроводником. Монокристаллы изготавливаются намного проще, но при этом не имеют много граней, за счет чего электроны имеют возможность двигаться прямолинейно.

Важно знать, что добавлением фосфора или мышьяка повышается электропроводность. Также, одним из важных свойств силиция является невидимость для инфракрасного излучения.

Благодаря этому элементу, преобразовательные блоки поглощают только полезные части солнечного спектра.

Последовательность действий солнечной батареи:

1. Принцип работы солнечной батареи. (Для увеличения нажмите)

   Энергия солнца попадает на пластины.

2. Пластины нагреваются и освобождают электроны.
3. Электроны активно двигаются по проводникам.
4. Проводники дают заряд аккумуляторам.

Вот мы и выяснили, из чего состоят солнечные батареи и каков их принцип действия.

Подробнее узнать об основных видах солнечных панелей можно здесь: https://teplo.guru/eko/vidyi-solnechnyih-paneley.html

В заключение хотелось бы добавить, что такую альтернативу можно сделать дома самостоятельно, при наличии всех необходимых частей.

Смотрите видео, в котором в легкой и познавательной форме объясняется принцип работы солнечных батарей:

Солнечные батареи: как это работает

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.

История создания

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Принцип работы

Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.

Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.

Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.

Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).

На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.

Крупнейшие производители

Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.

Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.

Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.

Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

Выводы

Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.

Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».

Принцип работы солнечной батареи

Солнечные батареи, как источник альтернативной энергии, сегодня уже не относят к инновационным технологиям науки. Впервые, использованные уже более сорока лет назад для электропитания станций в открытом космосе, они с успехом применяются, в качестве независимого источника экологически чистой электроэнергии.

Элементы солнечных батарей изготавливают из материалов, преобразующих солнечный свет в электричество. Фотоэлектрическая батарея конструктивно состоит из нескольких модулей, электрически и механически соединенных между собой. Каждый солнечный модуль – это устройство, объединяющее несколько фотоэлектрических элементов и выходные клеммы для подключения электроприемников. Фотоэлектрический элемент состоит из 2-х пластин полупроводникового материала. Основную часть, выпускающихся промышленностью элементов батарей, изготавливают из чистого кремния. На одну пластину, с целью придания ей свойств проводника отрицательных зарядов (n-область), наносят бор. Вторую же, с целью создания проводника положительных зарядов, покрывают фосфором (р – область).

Под воздействием солнечных лучей в зоне соприкосновения двух пластин возникает электродвижущая сила, которая способна создавать электрический ток во внешнем контуре, электрически соединенном с р- и n-областями. Для того, чтобы снять ток с батарей их пропаивают тонкими полосами меди. Спаянные друг с другом пластины спаивают, ламинируют, а затем закрепляют на стекле. Для придания конструкции прочностных свойств соединенные пластины размещают в алюминиевую раму.

Явление, в основе которого лежит принцип работы солнечных батарей, имеет название «внешний фотоэффект». Мощность, вырабатываемая батареей, напрямую зависит от площади ее поверхности. На эффективность работы солнечных батарей оказывает влияние также положение относительно Солнца модулей и интенсивность излучения. Таким образом, КПД батарей зависит от времени года, места установки, погоды.

Энергия, генерируемая фотоэлектрической установкой, не предназначена для непосредственного подключения потребителей. Между электрогенерирующей установкой и потребляющей сетью необходимо подключать инвертор, с целью трансформирования напряжения в стандартные величины одно или трехфазного номинала (220 или 380В).

Солнечные фотоэлектрические модули способны вырабатывать электроэнергию в течение 25 и больше лет. Технический износ в большинстве случаев возникает вследствие влияния окружающей среды, поскольку в таких установках отсутствуют подвижные механизмы, а также нет никаких термодинамических процессов. Грамотно смонтированная солнечная батарея станет экологически безопасным, бесшумным и надежным источником электроэнергии на долгие годы.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

Содержание статьи:

Солнечные батареи: терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Галерея изображений

Фото из

Установка из солнечных панелей позволяет рационально использовать бесплатную, к тому же неисчерпаемую энергию солнечных лучей

Миниатюрные электростанции, собранные из солнечных батарей, обеспечат энергией неэлектрифицированные объекты и дома, расположенные в регионах с перебоями в поставке электричества

Установки, перерабатывающие УФ излучение в электроэнергию, занимают минимум места. их располагают на крышах домов, хозпостроек, гаражей, беседок, веранд. Реже их располагают на открытых, не занятых постройками и насаждениями площадках

Солнечные батареи — незаменимое оборудование для любителей путешествий. Оно обеспечит энергией вдали от источников электропитания

Использование солнечной энергии предоставит возможность существенно сократить затраты на содержание дач и загородных домов. собрать и установить экономически полезную систему без затруднений можно собственными руками

Расположенные на корме яхты, палубе корабля или носу катера солнечные батареи обеспечат электроэнергией, благодаря которой можно поддерживать стабильную связь с берегом

Портативная солнечная панель с аккумулятором исключит возникновение экстремальных ситуаций вдали от населенных пунктов, гарантирует зарядку мобильных устройств для общения с близкими

Выпускаемые специально для походов легкие компактные зарядные устройства на основе солнечных батарей обеспечат энергией телефоны, рации, планшеты и медиа-технику

Рациональное использование природных ресурсов

Обеспечение энергией неэлектрифицированных объектов

Монтаж солнечных панелей на крыше

Мобильная солнечная батарея в кемпинге

Самостоятельный монтаж на дачном участке

Генератор энергии в морских прогулках

Портативная солнечная панель с аккумулятором

Занимающий минимум места прибор

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для .

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

1. Монокристаллические.
2. Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

Галерея изображений

Фото из

Гелио-электростанция на загородном участке

Солнечные монокристаллические батареи

Внешний вид солнечных батарей на монокристаллах

Монокристаллическая единица солнечной батареи

Поставка готовой к монтажу солнечной батареи

Поликристаллический фотоэлемент для солнечной батареи

Гелио-батарея из поликристаллических фотоэлементов

Изготовление солнечной батареи своими руками

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Настоящим прорывов в области использования солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:

Галерея изображений

Фото из

Гибкий вариант солнечной батареи

Наклейка гибкого фотоэлемента на жалюзи

Зарядка для мобильников на гибкой батарее

Устойчивая к механическим воздействиям панель

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

• температуры воздуха и самой батареи;
• правильности подбора сопротивления нагрузки;
• угла падения солнечных лучей;
• наличия/отсутствия антибликового покрытия;
• мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться , который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

1. Гелиопанели.
2. Контроллер.
3. .
4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен . Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

Солнечные батареи принцип работы, подключение для частного дома

Одним из преимуществ загородного коттеджа и дачного домика является возможность их последующей модификации, включая полную или частичную модернизацию централизованной сети электроснабжения. Для этого широко используются автономные системы, работающие на альтернативных источниках энергии. И больше всего привлекает людей солнечная энергия. Технология, которая изначально разрабатывалась для нужд космической промышленности, доступна сегодня и в гражданском строительстве.

Эксперты в области мировой энергетики сходятся во мнении, что применение в быту стационарных электростанций, функционирующих на солнечных батареях, — самый «безболезненный» для экологии способ добычи природных ресурсов. Единственной проблемой, с которой сталкиваются владельцы частных домов, является выбор оптимальной конструкции и модели гелиосистемы с учетом экономической выгоды и прироста показателей КПД.

В этой статье мы затронем принцип действия солнечных панелей, рассмотрим популярные способы монтажа гелиоустановок и расскажем о важных аспектах эксплуатации оборудования, которые помогут определиться с выбором конфигурации электростанции для бытового использования.

Принцип работы «домашней» гелиосистемы

Рабочими элементами солнечной батареи для частного дома выступают фотоэлектрические пластины. Они поглощают инфракрасное излучение от солнца и генерируют бесплатные природные экоресурсы в постоянный электрический ток.

Чтобы фотопанели работали исправно и обеспечивали необходимую мощность, их соединяют между собой, чередуя параллельный и последовательный методы подключения. Постоянный электрический ток, в зависимости от конструкции, поступает на инвертор, где преобразуется в переменный ток 220 V, или временно «оседает» в аккумулирующих емкостях.

Второй вариант более практичный, так как накопление электроэнергии «на запас» позволяет:

• исключить резкие перепады напряжения в домашней сети;
• рационально использовать полученные ресурсы;
• автоматически или вручную регулировать интенсивность работы электростанции.

При правильном монтаже КПД современных гелиосистем держится на уровне 35–40%. Модульные солнечные батареи для дома демонстрируют максимальные показатели эффективности в южных регионах России, где хорошая погода стоит больше 200 дней в году.

При установке солнечных батарей для частного дома крайне важно учитывать не только район, но и географическую широту, поскольку ближе к полюсам излучение солнца менее интенсивно. Но даже в северных и восточных регионах использование альтернативной энергии позволит вам сэкономить на потреблении традиционно «домашних» ресурсов.

Варианты фотоэлектрических элементов

Как было сказано ранее, генерация электрического тока происходит в момент соприкосновения лучей солнца с поверхностью фотоэлементов. Воздействие инфракрасного излучения смещает электроны с их «родных» орбит, в результате чего создается направленное движение заряженных ионов. При грамотном монтаже одна солнечная панель площадью 10 кв. м способна вырабатывать порядка 1 кВт энергии. На мощность бытовых гелиосистем оказывают влияние характеристики фотоэлемента.

1) Монокристаллический кремний

Такие солнечные батареи для дома отличаются достаточно легким весом, компактными размерами, а также продолжительным сроком эксплуатации. Их очень удобно монтировать, вот только монокристаллические фотоэлементы требовательны к интенсивности солнечного излучения и направленности лучей. Даже небольшая облачность критична для солнечной батареи, поскольку практически всегда приводит к прекращению генерации электричества от солнца.

Толщина панелей колеблется в пределах 200–300 мкм, а КПД при хорошей погоде и правильном расположении конструкции держится на уровне 17–19%. Недостаток — высокая стоимость для частных домов.

2) Поликристаллический кремний

В среднем срок эксплуатации составляет 15-20 лет, КПД – 14%. По электрическим характеристикам поликристаллические фотоэлементы уступают монокристаллу.

Но благодаря тому, что кристаллы кремния направлены в разные стороны, пластины на солнечных батареях хорошо улавливают рассеянные световые пучки, а потому намного меньше «страдают» при отсутствии солнца.

3) Тонкопленочные панели

В данном случае используется светопоглощающая пленка, которая «впитывает» энергию солнца даже при пасмурной погоде. Вот только КПД у них держится на уровне 8–10%, но этот недостаток с лихвой компенсируется низкой стоимостью.

Тонкопленочные фотоэлементы можно установить в любом удобном месте кровли или стены здания. Они не притягивают пыль и даже работают при неблагоприятных условиях окружающей среды, но при малой интенсивности солнечного излучения КПД снижается на 15%. Недостаток — требуется большая площадь для монтажа.

Различают также фотоэлементы из аморфного кремния, которые представляют собой эконом-вариант для дачных домиков (КПД 7–8%), и панели из теллуида кадмия, изготовленные по пленочной технологии, — КПД в районе 9–11%.

Схемы подключения солнечных батарей

Выделяют несколько основных категорий фотоэлектрических систем энергоснабжения частного дома (ФСЭ), которые различаются между собой по техническим параметрам и функциональным характеристикам.

К первой группе относят полностью автономные (закрытые) системы, которые не интегрированы в централизованную сеть электроснабжения. Солнечные генераторы функционируют в собственном контуре, а бытовые приборы подключены напрямую. Показатели КПД возрастают после установки аккумуляторных батарей и контроллера заряда.

Вторую группу представляет система солнечных батарей открытого типа. По умолчанию аккумулирующие емкости в ней не предусмотрены. ФСЭ подключены к централизованной сети электроснабжения через инвертор. При допустимом значении потребляемой мощности работают только фотопанели, которые генерируют ток напрямую. Если нагрузка возрастает, потребление электричества производится из традиционных источников. Такие гелиосистемы стоят недорого, но и не отличаются высокой эффективностью.

К третьей категории относят комбинированные ФСЭ, которые обладают характеристиками гелиосистем открытого и закрытого типа. Такие конструкции отличаются высокой стоимостью, поскольку их работа связана с использованием аккумуляторных батарей повышенной емкости и сетевых многофункциональных преобразователей.

Обогрев дома при помощи солнечных панелей

Для автономного отопления частного дома стандартные гелиосистемы применяют в основном на юге России, где тепловая энергия является первоосновным источником электричества. Владельцам дачных домов и небольших коттеджей целесообразнее приобретать для нагрева воды бытовой коллектор.

Выбор конкретной схемы подключения напрямую зависит от условий эксплуатации оборудования и личных потребностей. Как показывает практика, использование солнечных батарей в зимний период дает возможность сэкономить на традиционных энергоносителях до 25% всех затрат, в зависимости от температуры окружающей среды.

Стандартный комплект оборудования

Чтобы обеспечить частный дом электроэнергией по «зеленым» тарифам, одних только солнечных панелей недостаточно. Базовая комплектация, помимо фотоэлементов, в обязательном порядке подразумевает применение вспомогательного оборудования:

• аккумулирующие емкости;
• сетевой инвертор;
• контроллер заряда АКБ.

Если вы решили самостоятельно сделать электростанцию, работающую от солнечных батарей, не выбирайте для накопления электроэнергии автомобильные аккумуляторы — их срок службы при интенсивной нагрузке составляет всего 2-3 года, поэтому такие «батарейки» придется регулярно менять.

Гелиосистемы на основе вакуумного коллектора или солнечного модуля для нагрева воды дополнительно комплектуются насосом для постоянной циркуляции теплоносителя, водяным котлом емкостью до 1000 л и электрическими тэнами.

Таким образом, солнечные энергоресурсы можно использовать для электроснабжения, горячего водоснабжения или отопления, включая систему «теплый пол». Чтобы подобрать наиболее подходящий вариант для автономного дома, надо предварительно рассчитать суммарную мощность потребления бытовых приборов, а также обязательно учесть уровень инсоляции, месторасположение и угол наклона фотопанелей, среднее количество солнечных дней в году.

Способы монтажа бытовых гелиоустановок

В установке солнечных батарей нет ничего сложного. Самое главное — грамотно разместить модули. При монтаже важно придерживаться определенного угла наклона, который должен соответствовать географической широте местности. В процессе установки нужно также соблюдать азимут. Для северо-восточных он составляет 180 градусов.

Зимой КПД электростанции с солнечными батареями может упасть до минимальных значений, поскольку обильные снегопады будут препятствовать попаданию лучей солнца на наружную поверхность фотоэлектрических элементов. Поэтому при монтаже важно учесть, что на крыше потребуется свободное место для очистки конструкции от налипшего снега и грязи. Впрочем, этих хлопот можно избежать, если зафиксировать солнечные панели на поверхности южной стены под углом 60–80 градусов. На практике для коттеджей применяют разные варианты расположения фотоэлектрических модулей:

1. кровля — дополнительно потребуется установка надежной опорной конструкции из металлопрофилей или направляющих рельс;
2. стены — в данном случае на фасад здания монтируется рамная система для удержания фотопанелей «на весу»;
3. приусадебная территория — альтернативный вариант расположения батарей, когда кровля дома сильно затенена или не рассчитана на дополнительную нагрузку.

Свободное размещение имеет множество преимуществ, но требует наличия достаточного пространства на приусадебном участке. Чтобы автоматизировать процесс наклона и движения фотоэлектрических панелей по ходу солнца, дополнительно рекомендуется использовать специальные шарнирные конструкции с электроприводом.

Окупаемость и срок эксплуатации

Применение солнечных батарей позволит сэкономить на освещении и отоплении, независимо от времени года. Самые большие показатели энгергоэффективности гелиосистемы демонстрируют в южных широтах, где количество солнечных дней преобладает. Это и неудивительно, так как обязательным условием высокопродуктивной работы электростанции является стабильное поступление инфракрасного излучения и видимого света на поверхность фотоэлектрических элементов.

По статистике, солнечные батареи для частного дома мощностью 4–5 кВт при постоянном использовании окупают себя за 8–10 лет, после чего работают впрок. При этом срок эксплуатации составляет в среднем 20-25 лет, а вот аккумуляторные батареи придется менять через каждые 5-6 лет. Многим такие сроки окупаемости покажутся большими, но в действительности оно того стоит, учитывая, что в скором времени ископаемых ресурсов на планете практически не останется, а стоимость одного киловатта электроэнергии возрастет в разы.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи позволяет добывать электричество практически ниоткуда, за счет физических свойств материала, из которого сделаны эти приборы. Энергия солнца позволяет значительно сэкономить и снизить зависимость электроснабжения от стационарных сетей.

Как используется солнечная энергия

Существует два основных способа преобразования солнечной энергии. После выполнения определенных действий она превращается в тепло и электричество. Именно первый вариант стал использоваться в первую очередь, при котором тепловая энергия солнца собиралась с помощью специальных коллекторов (рис. 1). Собранное тепло передается теплоносителю и далее осуществляется его практическое применение. Подобные системы используются для дома при устройстве отопления и подачи горячей воды.

Во втором случае солнечная энергия напрямую превращается в электрическую. Данный процесс осуществляется с использованием физических свойств фотоэлектрических элементов. Эти качества похожи на природный фотосинтез, в результате которого солнечные лучи превращаются в другие виды материи. Действие солнечной батареи и производство электроэнергии происходит по аналогичной схеме в дневное и ночное время.

В данном случае все зависит от материала, используемого в солнечных панелях. В большинстве устройств применяется кремний, соединенный с медью, кадмием, индием. Полученные таким образом полупроводники, под влиянием света начинают вырабатывать электрический ток. Наиболее высокий КПД у фотоэлектрических панелей из монокристаллического кремния. Другие виды элементов – поликристаллические и аморфные, считаются менее эффективными, обладают более низким КПД и стоят значительно дешевле.

Определенное количество фотоэлементов объединяются вместе, и становятся общими работающими солнечными батареями. Кроме того, гелиосистема включает в себя инвертор для преобразования напряжения, контроллер для управления зарядкой-разрядкой, а также один или несколько аккумуляторов.

Преобразование солнечной энергии

Чтобы понять, как работают солнечные батареи, нужно знать устройство и принцип работы. Непосредственное превращение солнечной энергии в электрический ток происходит внутри фотоэлементов, соединенных последовательно между собой. Основой каждого из них служат кристаллы кремния, широко распространенные в природе в виде различных соединений. Более всего известен обычный песок, который является оксидом кремния. По аналогии, кристаллический кремний представляет собой крупную песчинку, выращенную искусственным путем.

Готовые кристаллы получаются в форме кубиков, после чего они разрезаются на тонкие пластины, толщиной 200 микрон. На одну сторону такой пластинки наносится слой бора, а на другую – слой фосфора. На границе кремния и бора присутствует избыточное количество электронов, а со стороны фосфора их, наоборот, не хватает. Место стыковки с такими физическими свойствами называется р-п переходом.

Принцип действия солнечной батареи заключается в следующем. Когда солнечный свет попадает на фотоэлементы, его фотоны начинают бомбардировать поверхность. Излишки электронов выбиваются, после чего начинается их движение туда, где их не хватает, то есть, в сторону дырок. В этот момент и происходит возникновение электрического тока, представляющего собой упорядоченное движение электронов. Сбор электричества производится по металлическим дорожкам, подведенным к каждому фотоэлементу.

Отдельно взятый фотоэлемент обладает незначительной мощностью. Его напряжение находится в пределах 0,5 В. Для получения более высокого выходного напряжения в 18 вольт, элементы в количестве 36 единиц соединяются последовательно в общую батарею. Полученного напряжения вполне достаточно аккумулятору на 12 вольт. Данные параметры взяты по максимуму, на практике же заявленные показатели будут ниже. Все зависит от того, как устроена солнечная батарея.

Готовая батарея в сборе устанавливается на подложку, сверху накрывается стеклом, после чего все швы и стыки герметизируются. Сами батареи также могут соединяться между собой последовательно или параллельно. В результате, получаются небольшие солнечные электростанции, широко используемые на дачах и в частных домах. Единственным условием является чистая поверхность и наличие яркого солнечного света.

Параметры и характеристики солнечных батарей

Основным показателем работоспособности батареи является ее мощность. Максимальное напряжение создается при наличии яркого света и зависит от количества элементов, соединенных последовательно. Важным фактором считается площадь каждого из них.

Нормальное функционирование панелей во многом зависит от дополнительных компонентов системы. Среди них следует отметить контроллер зарядки аккумуляторной батареи, а также инвертор, который нужен для преобразования постоянного тока в переменный.

Каждый аккумулятор обладает допустимым током зарядки, который не должен быть превышен. В противном случае это приведет к выходу из строя всей системы. Мощность, необходимая для зарядки аккумулятора, выбирается в зависимости от его напряжения. Уровень заряда как раз и обеспечивается контроллером, в результате, поступающая солнечная энергия используется максимально полно.

Необходимость использования контроллера связана с недостатками прямого подключения аккумулятора к батарее. В этом случае ток зарядки может быть либо слишком большим, либо слишком маленьким. В первом случае АКБ быстро выйдет из строя, а во втором – аккумулятор не будет полностью заряжен.

Мощность инвертора должна совпадать с аналогичным показателем у подключаемого оборудования. В этом случае в расчет принимается суммарная мощность используемых электроприборов.

Виды солнечных панелей

Кроме мощности и других рабочих параметров, солнечные панели различаются по материалам, используемым в их конструкции.

Монокристаллический кремний

В наиболее качественных панелях применяется монокристаллический кремний. Данные элементы изготавливаются в форме квадрата с закругленными углами. Такая конфигурация обусловлена технологией изготовления, когда выращенные кристаллы изначально принимают цилиндрическую форму. Далее края цилиндров обрезаются и основание принимает нужную конфигурацию, из чего потом делаются заготовки.

Готовые ячейки устанавливаются на подложку и накрываются стеклом или ламинированным покрытием. Полученные таким способом батареи имеют максимально возможный КПД, отличаются высоким качеством и надежностью в работе.

Поликристаллический кремний

Технология изготовления почти такая же за исключением формы кристалла, который в конце изготовления принимает не круглую, а квадратную форму. В его структуру входят мелкие кристаллы в большом количестве, поэтому конечный продукт и получается в квадратной конфигурации.

Сырьем служат отходы, полученные при изготовлении фотоэлементов и микросхем. В результате, готовые приборы обладают более низким КПД, однако конкретные параметры зависят от производителя, и нередко совпадают с монокристаллическими изделиями.

Аморфный кремний

Используется в производстве гибких солнечных панелей. Вместо кристаллов здесь выполняется напыление тонкого слоя кремния со всеми добавками, после чего образуется покрытие нужной толщины. После разрезания листов и приклеивания на них токопроводящих полосок, конструкция покрывается ламинатом.

Такие батареи обладают самым низким КПД, однако они могут сгибаться во всех направлениях, а скатанные в рулон – транспортируются на любые расстояния. Данные изделия незаменимы в полевых условиях, в походах и путешествиях при отсутствии возможности нормальной зарядки.

Преимущества и недостатки

Солнечные батареи, так же как другие устройства обладают своими достоинствами и недостатками. К несомненным плюсам этих систем можно отнести следующие:

• Возможность автономной работы позволяет организовать питание объектов, электронных устройств и освещения, удаленных на значительное расстояние от стационарных электрических сетей.
• Значительная экономия денежных средств в процессе эксплуатации. Солнечный свет, превращающийся в электроэнергию, ничего не стоит и не требует дополнительных расходов. Платить приходится лишь за инверторы и аккумуляторные батареи, требующие периодической замены. И даже в этом случае солнечные панели окупятся примерно за 10 лет при среднем гарантийном сроке службы в 25-30 лет. При соблюдении всех правил эксплуатации, батареи смогут прослужить еще дольше.
• По сравнению с обычными электростанциями, потребляющими топливо и загрязняющими окружающую среду, схема работы солнечных панелей отличается экологической чистотой и отсутствием шума.

Тем не менее, данные устройства обладают и серьезными недостатками, которые следует заранее учитывать в предварительных расчетах:

• Высокая стоимость не только панелей, но и дополнительных компонентов – инверторов, контроллеров, аккумуляторных батарей.
• Окупаемость наступает слишком долго. Деньги в течение длительного времени оказываются извлеченными из оборота.
• Солнечные системы с фотоэлектрическими элементами требуют очень много места. Довольно часто для этих целей приходится задействовать не только всю крышу, но и стены здания, серьезно нарушая проектные дизайнерские решения. Дополнительное место необходимо аккумуляторным батареям с большой емкостью, которые в отдельных случаях могут занять целое помещение.
• Процесс вырабатывания электроэнергии происходит неравномерно, в зависимости от времени суток. Этот недостаток компенсируется аккумуляторными батареями, которые днем накапливают электроэнергию, а ночью отдают ее потребителям.

Изготовление солнечных батарей

Конструкция стандартной солнечной батареи состоит из нескольких компонентов. Основной деталью является сама панель, выполненная в виде прямоугольного прозрачного короба, внутри которого располагаются тонкие квадраты кремния темного цвета. Кремний в соединении с кислородом представляет собой оксид кремния, используемый в качестве основы для батарей, на чем основан их принцип действия.

Процесс изготовления солнечных панелей можно условно разделить на несколько этапов:

• Первый этап заключается в подготовке сырья. В этот период очищается состав кварцевого песка путем прокаливания его вместе с коксом. В результате, из него выделяется кислород и остается только чистый кремний, внешне похожий на уголь.
• Затем начинается выращивание кристаллов, и в этот период упорядочивается структура кремния. В специальном тигле он разогревается до температуры плавления, после чего в полученную лаву добавляется специальная затравка. Она похожа на готовый кристалл и вокруг него начинают образовываться слои кремния с упорядоченной структурой, чтобы в дальнейшем соблюдался принцип работы солнечных батарей. Через несколько часов получается готовый кристалл цилиндрической формы, обрезаемый по краям. В сечении получается квадрат с закругленными краями.
• Заготовка разрезается на тонкие пластинки по 100-200 микрон, после чего они тестируются, сортируются и направляются на следующий участок.
• На следующем этапе пластинки запаиваются в секции, из которых на стеклянной основе формируются блоки. Стекло выполняет защитную функцию и уберегает готовые элементы от механических повреждений. Одна секция состоит из 9-10 отдельных элементов, а все устройство солнечной батареи включает в себя 4-6 секций и более.
• Далее выполняется ламинирование пластин, спаянных в блоки. Для этого используется этиленвинилацетатная пленка. После наносится защитное покрытие, формируется строение солнечных батарей. Вся информация поступает на компьютер, отслеживающий уровень вакуума, давления и температуры.
• На завершающей стадии осуществляется монтаж алюминиевой рамы и соединительной коробки. Готовая конструкция тестируется, проверяется как работает солнечная батарея, проводятся измерения всех показателей и технических параметров.

Солнечный элемент: принцип работы и конструкция (диаграммы в комплекте)

Что такое солнечный элемент?

Солнечный элемент (также известный как фотоэлектрический элемент или фотоэлектрический элемент) определяется как электрическое устройство, которое преобразует световую энергию в электрическую посредством фотоэлектрического эффекта. Солнечный элемент — это в основном диод с p-n переходом. Солнечные элементы — это форма фотоэлементов, определяемых как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются под воздействием света.

Отдельные солнечные элементы могут быть объединены в модули, обычно известные как солнечные панели. Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. Само по себе это немного, но помните, что эти солнечные элементы крошечные. При объединении в большую солнечную панель можно вырабатывать значительное количество возобновляемой энергии.

Конструкция солнечного элемента

Солнечный элемент — это, по сути, диод с переходом, хотя по своей конструкции он немного отличается от обычных диодов с p-n переходом.Очень тонкий слой полупроводника p-типа выращивается на относительно более толстом полупроводнике n-типа. Затем мы накладываем несколько более тонких электродов на верхнюю часть полупроводникового слоя p-типа.

Эти электроды не препятствуют проникновению света в тонкий слой p-типа. Чуть ниже слоя p-типа находится p-n переход. Мы также предоставляем токосъемный электрод внизу слоя n-типа. Мы герметизируем всю сборку тонким стеклом, чтобы защитить солнечную батарею от любых механических ударов.

Принцип работы солнечного элемента

Когда свет достигает p-n перехода, световые фотоны могут легко попасть в переход через очень тонкий слой p-типа. Световая энергия в виде фотонов поставляет в переход достаточно энергии для создания ряда электронно-дырочных пар. Падающий свет нарушает условие теплового равновесия перехода. Свободные электроны в обедненной области могут быстро перейти на сторону n-типа перехода.

Точно так же отверстия в истощении могут быстро попасть на сторону p-типа перехода.После того, как вновь созданные свободные электроны попадают на сторону n-типа, они не могут дальше пересекать переход из-за барьерного потенциала перехода.

Точно так же вновь созданные дыры, когда-то выходящие на сторону p-типа, не могут далее пересекать переход, стали с тем же барьерным потенциалом, что и переход. Когда концентрация электронов становится выше на одной стороне, то есть на стороне n-типа перехода, а концентрация дырок увеличивается на другой стороне, то есть на стороне p-типа перехода, p-n переход будет вести себя как маленький аккумуляторный элемент.Устанавливается напряжение, известное как фото-напряжение. Если мы подключим небольшую нагрузку через соединение, через него будет протекать крошечный ток.

Характеристики V-I фотоэлектрического элемента

Материалы, используемые в солнечном элементе

Материалы, которые используются для этой цели, должны иметь ширину запрещенной зоны, близкую к 1,5 ev. Обычно используемые материалы —

1. Кремний.
2. GaAs.
3. CdTe.
4. CuInSe ₂

Критерии для материалов, которые будут использоваться в солнечных элементах

1. Должна иметь ширину запрещенной зоны от 1 EV до 1.8ев.
2. Он должен иметь высокое оптическое поглощение.
3. Должен иметь высокую электропроводность.
4. Сырье должно быть доступно в изобилии, а стоимость материала должна быть низкой.

Преимущества солнечных батарей

1. Никакого загрязнения, связанного с этим.
2. Он должен прослужить долго.
3. Нет затрат на обслуживание.

Недостатки солнечной батареи

1. Имеет высокую стоимость установки.
2. Имеет низкий КПД.
3. В пасмурный день энергия не может производиться, а ночью мы не получаем солнечную энергию.

Использование систем солнечной генерации

1. Может использоваться для зарядки аккумуляторов.
2. Используется в люксметрах.
3. Применяется для питания калькуляторов и наручных часов.
4. Может использоваться в космических кораблях для выработки электроэнергии.

Заключение: Хотя солнечная батарея имеет некоторые недостатки, которые, как ожидается, будут устранены по мере развития технологии, поскольку технология развивается, стоимость солнечных батарей, а также стоимость установки снизятся. так что каждый может приложить усилия для установки системы.Кроме того, правительство уделяет большое внимание солнечной энергии, поэтому через несколько лет мы можем ожидать, что каждое домашнее хозяйство, а также каждая электрическая система питаются от солнечной или возобновляемой энергии.

Принцип солнечной батареи | О солнечной энергии | Наш дух солнечной энергии | Солнечная энергия | Продукция

Что такое солнечная батарея | Строительство солнечных батарей | Принцип работы солнечной батареи

Здравствуйте, друзья, в сегодняшней статье мы поговорим о солнечных элементах, какова их конструкция, каков принцип их работы, а также их преимущества и недостатки, а также их использование.

Как известно, конструкция солнечных панелей производится с использованием многих солнечных элементов. Основная функция солнечного элемента — вырабатывать электричество в зависимости от его мощности. Потому что каждая ячейка в солнечной панели работает независимо по-своему. Итак, собирая электричество из каждой ячейки, солнечные панели вырабатывают электричество.

Панели солнечных батарей используются для работы электроприборов, используемых в доме. Когда собирается и подключается более одной панели, это называется солнечной батареей.В этом массиве электричество от каждой панели может передаваться на инвертор. Таким образом, этот инвертор преобразует электричество из постоянного тока в переменный для использования в домах. Солнечная энергия невозможна без правильной конструкции солнечных батарей.

Также читайте: РАЗНИЦА МЕЖДУ ТРАНСМИССИОННОЙ ЛИНИЕЙ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЛИНИЕЙ

Определение: Солнечные панели имеют важный компонент, известный как солнечный элемент или фотоэлемент.Солнечные батареи играют жизненно важную роль в преобразовании солнечной энергии в электрическую. Это известно как эффект PV. Солнечные элементы, подвергающиеся воздействию солнечного света, изменят свои электрические характеристики, такие как напряжение, сопротивление и ток.

Солнечные панели изготавливаются путем соединения нескольких солнечных элементов. Солнечный элемент способен производить расчетное напряжение от 0,5 до 0,6 вольт.

Также читайте: ЧТО ТАКОЕ ДИЗЕЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР, НАЗВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ИХ РАБОТА

Строительная схема солнечного элемента выглядит следующим образом.В котором есть антибликовое покровное стекло в части слоя над ним.

Эта стеклянная крышка защищает полупроводниковый материал от повреждения прямыми солнечными лучами. В этой ячейке доступны небольшие сеточные узоры с небольшими металлическими полосами под стеклом. Таким образом, верхний слой этой ячейки может быть сформирован из стекла, металлических полос и антибликового покрытия.

Самая важная часть солнечного элемента — это пространство между ними, которое может быть образовано действием фотоэлектрических элементов в космосе.Он состоит из двух полупроводниковых слоев из материалов P-типа и N-типа. Базовый слой этой клетки состоит из двух частей.

Задний металлический электрод находится внизу полупроводника P-типа и работает с металлической сеткой, которая генерирует электрический ток на уровне Пинкла. Отражающий слой — это последний слой, используемый для уменьшения потерь света внутри системы. В солнечных элементах используются разные материалы в зависимости от их полезности и цены.

Читайте также: ЧТО ТАКОЕ ВАРАКТОРНЫЙ ДИОД | СИМВОЛ | СТРОИТЕЛЬСТВО | РАБОТА | ХАРАКТЕРИСТИКИ | ПРИМЕНЕНИЕ ВАРАКТОРНОГО ДИОДА

Когда солнечный свет падает на солнечную панель, эта пластина поглощает его, и этот свет достигает pn перехода.Этот фотон солнечного света может легко попасть в переход через очень тонкий слой P-типа. Полупроводниковые материалы используются для придания свойств изоляторов и металлов каждой панели солнечной панели.

Солнечная энергия обеспечивает соединение достаточным количеством энергии для образования множества электронно-дырочных пар в форме фотонов. Это заставляет свет нарушать состояние теплового равновесия перехода. Свободные электроны в обедненном поле могут быстро достичь стороны N-типа перехода.

Точно так же дыры в истощении могут также быстро образоваться на стороне P-типа соединения. Как только вновь образованные свободные электроны попадают на сторону N-типа, они не могут пересечь прямой переход из-за возможности закупорки перехода. Точно так же вновь образованные отверстия однажды попадают на сторону P-типа

И он не может пересекать перекресток, это стало возможностью равного препятствия на стыке. Поскольку концентрация электронов на одной стороне увеличивается, т.е.е. сторона перехода N-типа и концентрация отверстий на другой стороне также увеличивается, что приводит к тому, что сторона перехода P-типа ведет себя как небольшая аккумуляторная батарея.

Напряжение регулируется, что называется фотоэлектрическим. Если мы приложим к переходу небольшую нагрузку, там будет течь небольшой ток.

Ширина запрещенной зоны материала, из которого изготовлена ​​солнечная пластина, должна быть близка к 1.5ев. Обычно используются следующие материалы.

• Кремний.
• GaAs.
• CdTe.
• CuInSe2

Вот некоторые из преимуществ солнечного элемента:

• Не распространяет никаких загрязнений, поэтому воздух совершенно чистый по сравнению с другими источниками энергии.
• Срок службы очень большой.
• Никто не должен тратиться на техническое обслуживание.
• Это может быть использовано для уменьшения крупных счетов за электроэнергию
• Не производит никакого шума.
• Он не использует воду или топливо для выработки электроэнергии. Так что и вода, и дрова будут сохранены.
• Самый простой способ бегать.
• Срок службы этих ячеек около 30 лет.

У этого есть много преимуществ, но есть и несколько недостатков:

• Стоимость его установки очень высока, что не всем по карману.
• Его КПД невысокий.
• Энергия не может вырабатываться в сезон дождей из-за пасмурной погоды.
• Хранить генерируемую при этом энергию — дорогое удовольствие.
• Предотвращает лишнее пространство.

Область применения солнечных батарей следующая:

• Электрозащита
• Водяная перекачка
• Системы выносного освещения
• Водоподготовка
• Портативный блок питания
• Аварийное питание
• Спутников

Понравился пост? Не могли бы вы поделиться им со своими друзьями?

Рекомендуемое чтение —

Конструкция и принцип работы солнечных элементов — Электротехника 123

Солнечные элементы — это устройства или конструкции, которые преобразуют солнечную энергию i.е. энергия, полученная от солнца, непосредственно в электрическую энергию. Основной принцип действия солнечного элемента основан на фотоэлектрическом эффекте.

Солнечный элемент также называют фото гальваническим элементом. Электроэнергия, подаваемая солнечным элементом, представляет собой постоянный ток / электричество, которое аналогично тому, как вырабатывается батареями, но немного отличается в том смысле, что батарея обеспечивает постоянное напряжение.

В другом способе определения солнечного элемента это твердотельное электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью Photoelectric Effect .

Конструкция солнечного элемента

В основном солнечный элемент конструируется с использованием кристаллического кремния, который состоит из полупроводника n-типа. Это первый или верхний слой, также известный как эмиттерный слой. Второй слой представляет собой полупроводниковый слой p-типа, известный как базовый слой. Оба слоя зажаты, и, следовательно, между ними образуется p-n-переход. Поверхность покрыта антибликовым покрытием, чтобы избежать потери энергии падающего света из-за отражения.

Работа солнечного элемента

Как только солнечный элемент подвергается воздействию солнечного света, солнечная энергия, которая присутствует в виде световых фотонов, поглощается полупроводниковыми материалами.Из-за этой поглощенной энергии происходит явление фотоэлектрической энергии, и электроны высвобождаются и производят внешний постоянный ток. Постоянный ток преобразуется в 240-вольтный переменный ток с помощью инвертора для различных приложений.

Фотоэлементы изготовлены из специальных материалов, называемых полупроводниками, например кремния. У атома кремния 14 электронов, расположенных в трех разных оболочках. На внешней оболочке 4 электрона. Поэтому атом кремния всегда будет искать способы заполнить свою последнюю оболочку, и для этого он поделится электронами с четырьмя соседними атомами.

Теперь мы используем фосфор (с 5 электронами на внешней оболочке). Поэтому, когда он соединяется с кремнием, один электрон остается свободным. Когда к чистому кремнию добавляется энергия, это может привести к тому, что несколько электронов вырвутся из своих связей и покинут свои атомы. Это так называемые свободные носители, которые беспорядочно перемещаются по кристаллической решетке в поисках дырок, в которые можно попасть, и по которым проходит электрический ток.

Однако их очень мало и они не очень полезны. Но нечистому кремнию с атомами фосфора требуется гораздо меньше энергии, чтобы выбить «лишние» электроны, потому что они не связаны связью с какими-либо соседними атомами.В результате у нас намного больше свободных носителей, чем было бы в чистом кремнии, чтобы стать кремнием N-типа.

Как течет ток в солнечном элементе

Другая часть солнечного элемента легирована бором (с 3 электронами на внешней оболочке), чтобы стать кремнием P-типа. Теперь, когда эти два типа кремния взаимодействуют, на стыке образуется электрическое поле, которое не позволяет большему количеству электронов перемещаться на P-сторону. Когда фотон попадает в солнечную батарею, его солнечная энергия расщепляет электронно-дырочные пары.Каждый фотон с достаточной энергией обычно освобождает ровно один электрон, в результате чего также образуется свободная дырка. Если это происходит достаточно близко к электрическому полю, это вызывает нарушение электрической нейтральности, и если мы обеспечиваем путь для внешнего тока, электроны будут течь через сторону P, чтобы объединиться с отверстиями, которые направлено туда электрическим полем, выполняя работу для нас вдоль способ. Этот электронный поток обеспечивает ток.

Образование электронных дыр

Как мы знаем, фотон — это поток легких частиц, и преобразование фотоэлектрической энергии зависит от количества фотонов, ударяющихся о землю.В ясный день около 4,4 x 10 ¹⁷ фотонов ударяют в квадратный сантиметр поверхности Земли каждую секунду. Только некоторые из этих фотонов, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны, могут быть преобразованы солнечным элементом в электричество. Когда такой фотон попадает в полупроводник, он может поглощаться и продвигать электрон из валентной зоны в зону проводимости, что создает дыру в валентной зоне. После этого электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне объединяются и образуют электронно-дырочных пар .

Таким образом, когда мы подключаем эти p- и n-слои к внешней цепи, электроны текут из n-слоя в p-слой, следовательно, генерируется ток. Электроны, которые покидают солнечный элемент в виде тока, отдают свою энергию всему, что подключено к солнечному элементу, а затем снова входят в солнечный элемент. Вернувшись в солнечную батарею, процесс снова начинает производить больше солнечной энергии.

Типы солнечных элементов и уровни эффективности

В зависимости от кристаллической структуры существует три типа солнечных элементов:

1. Элементы из монокристаллического кремния
2. Элементы из поликристаллического кремния
3. Элементы из аморфного кремния

Элемент из монокристаллического кремния изготовлен из чистого кремния (монокристалла).Поскольку монокристаллический кремний чистый и бездефектный, эффективность ячейки выше. КПД этого типа солнечных элементов составляет 14-17%.

Поликристаллические солнечные элементы используют жидкий кремний в качестве сырья. Поскольку поликристаллический кремний включает процесс затвердевания, материалы содержат кристаллы различных размеров. Следовательно, эффективность этого типа элемента ниже, чем у монокристаллического солнечного элемента. КПД этого типа солнечных элементов составляет 13-15%.

Элементы из аморфного кремния получают путем нанесения кремниевой пленки на подложку, например стеклянную пластину.Толщина слоя менее 1 мкм. КПД этого типа солнечных элементов составляет 5-7%.

С технологической точки зрения существует три типа технологии солнечных элементов :

• технология дискретных элементов,
• интегрированная технология тонких пленок и
• технология мультикристаллического кремния.

Солнечная панель (или) солнечная батарея — это соединение количества солнечных модулей для получения эффективной энергии.Солнечный модуль состоит из нескольких соединенных между собой солнечных элементов. Эти соединенные между собой ячейки заделаны между двумя стеклянными пластинами для защиты от вредного воздействия. Поскольку площадь поглощения модуля велика, можно производить больше энергии.

Преимущества солнечных батарей

1. Солнечная энергия чистая и экологически чистая.
2. Это лучшая возобновляемая энергия
3. Солнечные элементы не производят шума
4. Солнечные элементы не требуют минимального обслуживания
5. Высокая надежность и долговечность
6. Эксплуатационные расходы минимальны
7. Стоимость солнечных панелей теперь снижается

Как солнечные элементы Работа?

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 15 августа 2020 г.

Почему мы тратим время на бурение в поисках нефти и копать уголь, когда в небе над нами стоит гигантская электростанция, посылающая чистая, непрерывная энергия бесплатно? Солнце, бурлящий шар ядерная энергетика, на борту достаточно топлива чтобы управлять нашей Солнечной системой еще на пять миллиардов лет, а солнечные панели может превратить эту энергию в бесконечную, удобную подача электроэнергии.

Солнечная энергия может показаться странной или футуристической, но это уже довольно банальность.На запястье могут быть кварцевые часы на солнечной энергии или карманный калькулятор на солнечных батареях. У многих людей есть фонари на солнечных батареях в их саду. Космические корабли и спутники обычно на них тоже есть солнечные батареи. Американское космическое агентство NASA даже разработало солнечную батарею. самолет! Как глобальное потепление продолжает угрожать нашей окружающей среде, мало сомнений в том, что солнечная энергия станет еще более важной формой возобновляемой энергии в будущем. Но как именно это работает?

Фото: самолет NASA Pathfinder, работающий на солнечной энергии.Верхняя поверхность крыла покрыта легкими солнечными батареями, питающими винты самолета. Изображение любезно предоставлено НАСА Центр летных исследований Армстронга.

Сколько энергии мы можем получить от Солнца?

Фото: Количество энергии, которое мы можем уловить от солнечного света, минимально на восходе и закате, а также максимум в полдень, когда Солнце находится прямо над головой.

Солнечная энергия потрясающая. В среднем каждый квадратный метр Земли поверхность получает 164 Вт солнечной энергии (цифру мы объясним более подробно чуть позже).Другими словами, вы могли поставить действительно мощную (150 ватт) настольную лампу на каждый квадратный метр Поверхность Земли и озарить всю планету энергией Солнца! Или поставить это по-другому, если бы мы покрыли только один процент пустыни Сахара солнечными панелей, мы могли бы производить достаточно электроэнергии чтобы привести в действие весь мир. Это хорошая вещь в солнечной энергии: их ужасно много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую излучает Солнце, прибывает Земля как смесь света и тепла.Оба они невероятно важно — свет заставляет растения расти, давая нам пищу, а тепло согревает нас достаточно, чтобы выжить, но мы не можем использовать ни то, ни другое Солнечный свет или тепло для работы телевизора или автомобиля. Мы должны найти способ преобразования солнечной энергии в другие формы энергии, которые мы можно использовать более легко, например, электричество. И это именно то, что солнечная клетки делают.

Что такое солнечные элементы?

Солнечный элемент — электронное устройство, улавливающее солнечный свет и превращает его прямо в электричество.Он размером с ладонь взрослого человека, восьмиугольной формы и голубовато-черного цвета. Солнечные элементы часто объединяются в более крупные блоки, называемые солнечными модулями , сами по себе. соединены в еще более крупные блоки, известные как солнечные панели (черные или плиты синего цвета, которые вы видите в домах людей, обычно с несколькими сотни отдельных солнечных элементов на крышу) или измельченные на куски (чтобы обеспечивают питание небольших гаджетов, таких как карманные калькуляторы и цифровые часы).

Фото: Крыша этого дома покрыта 16 солнечными панелями, каждая из которых состоит из сетки 10 × 6 = 60 маленьких солнечных элементов.В хороший день он, вероятно, вырабатывает около 4 киловатт электроэнергии.

Так же, как элементы в батарее, ячейки в солнечные панели предназначены для выработки электроэнергии; но где батарея клетки производят электричество из химикатов, клетки солнечной панели производят мощность, вместо этого улавливая солнечный свет. Их иногда называют фотоэлектрическими (ФЭ). клетки, потому что они используют солнечный свет («фотография» происходит от греческого слова «свет») для производства электричества ( слово «гальванический» — это отсылка к итальянскому первопроходцу в области электричества. Алессандро Вольта, 1745–1827).

Мы можем думать о свете как о крошечных частицах, называемых фотонов , поэтому луч солнечного света похож на ярко-желтый огонь Мы стреляем из триллионов в триллионы фотонов на нашем пути. Прилепите солнечный элемент на своем пути, и он улавливает эти энергичные фотоны и превращает их в поток электронов — электрический ток. Каждая ячейка вырабатывает несколько вольт электричества, поэтому работа солнечной панели состоит в объединении энергии, производимой многими клетками, для получения полезного количества электрического тока и Напряжение.Практически все современные солнечные элементы сделаны из ломтиков. кремния (один из самых распространенных химических элементов на Земле, обнаружен в песке), хотя, как мы вскоре увидим, множество других материалов также можно использовать (или вместо него). Когда солнечный свет попадает на солнечную батарею, энергия он выносит электроны из кремния. Их можно заставить обтекать электрическую цепь и приводить в действие все, что работает электричество. Это довольно упрощенное объяснение! Теперь давайте возьмем присмотреться …

Как изготавливаются солнечные элементы?

На фото: одиночный фотоэлемент.Изображение Рика Митчелла, любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Кремний — это материал, из которого сделаны транзисторы. (крошечные переключатели) в микрочипах сделаны — и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний — это тип материала, который называется полупроводником. Некоторые материалы, особенно металлы, пропускают через них электричество. очень легко; их называют кондукторами. Другие материалы, такие как пластик и дерево, на самом деле не пусть электричество течет через них в все; их называют изоляторами.Полупроводники, такие как кремний, ни проводники, ни изоляторы: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это сделать.

Солнечный элемент — это сэндвич из двух разных слоев кремния, прошли специальную обработку или добавили допинг, поэтому они позволит электричеству течь через них определенным образом. Нижний слой легированный, поэтому в нем немного меньше электронов. Он называется кремнием p-типа или положительного типа (потому что электроны заряжены отрицательно, и в этом слое их слишком мало).Верхний слой легируется противоположным образом, чтобы получить слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа. (Ты можно узнать больше о полупроводниках и легировании в наших статьях о транзисторах и интегральные схемы.)

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой p-типа кремния, барьер создается на стыке двух материалов ( важнейшая граница, на которой встречаются два вида кремния). Нет электроны могут пересечь барьер, поэтому, даже если мы подключим этот кремний бутерброд к фонарику, ток не протечет: лампочка не загорится вверх.Но если мы посветим на бутерброд, что-нибудь примечательное. бывает. Мы можем думать о свете как о потоке энергетического «света». частицы », называемые фотонами. Когда фотоны входят В нашем сэндвиче они отдают свою энергию атомам кремния. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому Они перепрыгнуть через барьер на слой n-типа выше и обтекать схема. В чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и тем больше ток потоки.

Это то, что мы подразумеваем под фотоэлектрическими элементами — напряжение, создающее свет. ученые называют это фотоэлектрическим эффектом.

А теперь подробнее …

Это базовое введение в солнечные элементы — и если это все, что вам нужно, вы можете здесь остановиться. В оставшейся части этой статьи более подробно рассказывается о различных типах солнечных элементов, о том, как люди применяют солнечную энергию на практике, и почему солнечной энергии требуется так много времени, чтобы поймать.

Насколько эффективны солнечные батареи?

Диаграмма: Сравнение эффективности солнечных элементов: самый первый солнечный элемент соскоблился с КПД всего лишь 6 процентов; самый эффективный из всех произведенных на сегодняшний день отработал 46 процентов в лабораторных условиях.Большинство клеток относятся к типам первого поколения, которые теоретически могут управлять примерно 15 процентами, а на практике, вероятно, 8 процентами.

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит: что мы не можем волшебным образом создать энергию или превратить ее в тонкую воздуха; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает солнечный элемент не может производить больше электроэнергии, чем он воспринимает каждую секунду как свет. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразуют около 10–20 процентов энергии, которую они получать в электричество.Типичный кремниевый однопереходный солнечный ячейка имеет теоретическую максимальную эффективность около 30 процентов, известную как Предел Шокли-Кайссера . Это по сути потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов с разными длинами волн и энергии, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для улавливают фотоны только в определенной полосе частот, тратя все остальное. Некоторым фотонам, падающим на солнечный элемент, не хватает энергия, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно тратятся, в то время как у некоторых слишком много энергии, и избыток также тратится зря.Очень лучшие, современные лабораторные ячейки могут управлять 46 процентами эффективность в абсолютно идеальных условиях за счет использования нескольких узлов ловить фотоны разной энергии.

Реальные бытовые солнечные панели могут достичь эффективности около 15 процентов, если процентный пункт здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Однопереходные солнечные элементы первого поколения не подходят 30-процентный КПД предела Шокли-Кайссера, не говоря уже о лабораторный рекорд 46 процентов.Всевозможные надоедливые факторы реального мира съедают номинальный КПД, включая конструкцию панелей, их расположение и под углом, находятся ли они когда-либо в тени, насколько чистыми вы их держите, как они становятся горячими (повышение температуры снижает их эффективность), и вентилируются ли они (позволяя воздуху циркулировать под ними) чтобы держать их в прохладе.

Типы фотоэлектрических фотоэлементов

Большинство солнечных элементов, которые вы увидите сегодня на крышах людей, — это по сути просто кремниевые бутерброды, специально обработанные («легированные») чтобы сделать из них более качественные электрические проводники.Ученые называют эти классические солнечные элементы как первое поколение, в значительной степени для дифференциации их от двух разных, более современных технологий, известных как вторичные и третье поколение. Так в чем разница?

Первое поколение

Фото: красочная коллекция солнечных элементов первого поколения. Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА. (НАСА-GRC).

Около 90 процентов солнечных элементов в мире изготавливаются из пластин. кристаллического кремния (сокращенно c-Si), вырезанного из крупных слитков, которые выращиваются в сверхчистых лабораториях в процессе, который может на выполнение потребуется до месяца.Слитки имеют форму монокристаллы ( монокристаллический или моно-Si) или содержат несколько кристаллов ( поликристаллический , мульти-Si или поли c-Si). Солнечные элементы первого поколения работают так же, как мы. показано в рамке вверху: они используют простой простой переход между слоями кремния n-типа и p-типа, которые вырезаны из отдельные слитки. Таким образом, слиток n-типа будет получен путем нагревания кусков кремния с небольшими количествами фосфора, сурьмы или мышьяка, как легирующая добавка, в то время как слиток p-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси.Затем срезы кремния n-типа и p-типа сливаются, чтобы соединение. Добавлены еще несколько наворотов (например, антибликовое покрытие, которое улучшает поглощение света и придает фотоэлектрические элементы их характерного синего цвета, защитное стекло на передней и пластиковой основе, и металлические соединения, чтобы ячейка могла быть включенным в цепь), но простой p-n переход — это суть большинство солнечных батарей. Это в значительной степени то, как все фотоэлектрические кремниевые солнечные клетки работают с 1954 года, когда ученые Bell Labs пионер технологии: сияющий солнечный свет на кремнии, извлеченном из песок, они вырабатывали электричество.

Второе поколение

На фото: тонкопленочная солнечная «панель» второго поколения. Энергогенерирующая пленка сделана из аморфного кремния, прикреплена к тонкой, гибкой и относительно недорогой пластиковой основе («подложке»). Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL (идентификатор изображения # 6321083).

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины — обычно фракция миллиметра (около 200 мкм, 200 мкм или около того). Но это абсолютные плиты по сравнению со вторым поколением. элементы, широко известные как тонкопленочные солнечные элементы (TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые примерно в 100 раз снова тоньше (глубиной несколько микрометров или миллионных долей метра).Хотя большинство из них по-прежнему сделаны из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в котором атомы расположены беспорядочно вместо точно упорядоченных в регулярной кристаллической структуре), некоторые из них изготовлены из других материалов, в частности теллурида кадмия (Cd-Te) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS). Потому что они чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие солнечные элементы второго поколения могут быть ламинированный на окна, световые люки, черепицу и все виды «подложки» (материалы основы), включая металлы, стекло и полимеры (пластмассы).То, что клетки второго поколения приобретают в гибкости, они приносят в жертву. эффективность: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, хотя первоклассная ячейка первого поколения может достичь КПД 15–20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается превзойти 7 процентов, лучшие тонкопленочные элементы Cd-Te выдерживают только около 11 процентов, а клетки CIGS работают не лучше, чем 7–12 процентов. Это один причина, по которой, несмотря на свои практические преимущества, второе поколение элементы пока что оказали относительно небольшое влияние на рынок солнечной энергии.

Третье поколение

Фото: пластиковые солнечные элементы третьего поколения, созданные исследователями Национальной лаборатории возобновляемой энергии. Фото Джека Демпси любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 6322357).

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты первого и клетки второго поколения. Как и клетки первого поколения, они обещают относительно высокий КПД (30 процентов и более). Нравиться клетки второго поколения, они с большей вероятностью будут сделаны из материалы, отличные от «простого» кремния, такие как аморфный кремний, органические полимеры (изготовление органических фотоэлектрических элементов, OPV), кристаллы перовскита, и иметь несколько переходов (сделанных из нескольких слоев различных полупроводниковых материалы).В идеале это сделало бы их дешевле, эффективнее, и более практичны, чем клетки первого или второго поколения. В настоящее время мировой рекорд эффективности для солнечной энергии третьего поколения. составляет 28 процентов, достигнуто с помощью тандемного солнечного элемента перовскит-кремний в декабре 2018 года.

Сколько энергии мы можем получить с помощью солнечных батарей?

«Общая солнечная энергия, которая достигает Земли поверхность может удовлетворить существующие глобальные потребности в энергии в 10 000 раз ».

Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности / Гринпис, 2011 г. .

Теоретически огромная сумма. Забудем пока о солнечных батареях и просто рассмотрите чистый солнечный свет. До 1000 Вт чистой солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, указывая прямо на Солнце (это теоретическая мощность прямого полуденного солнечного света на безоблачный день — солнечные лучи падают перпендикулярно земной поверхность и дает максимальное освещение или инсоляцию , как это технически известный). На практике после корректировки наклона планеты и времени суток, лучшее, что мы можем получить, это возможно, 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах. (даже в безоблачный день).Это составляет около 2–6 кВт / ч в день. (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландия или что-нибудь более услужливое, например Аризона или Мексика). Умножение производства на целый год дает нам что-то от 700 до 2500 кВтч на квадратный метр (700–2500 единиц электричество). В более жарких регионах явно гораздо больше солнечной энергии. потенциал: например, Ближний Восток получает около 50–100 на процент больше полезной солнечной энергии каждый год, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы составляют всего около 15 процентов эффективен, поэтому мы можем уловить только часть этого теоретического энергия.Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество мощность, которую вы можете сделать, очевидно, напрямую зависит от того, сколько площади вы может позволить себе накрыть клетками. Один солнечный элемент (примерно размером компакт-диска) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль состоит из массива примерно из 40 ячеек (5 рядов по 8 ячеек) мог составлять около 100–300 Вт; несколько солнечных панелей, каждая состоящий примерно из 3–4 модулей, поэтому может генерировать абсолютную максимум несколько киловатт (вероятно, достаточно, чтобы удовлетворить домашнюю пиковая мощность).

А как насчет солнечных ферм?

На фото: огромный проект солнечной генерации Аламоса площадью 91 гектар (225 акров) в Колорадо вырабатывает до 30 мегаватт солнечной энергии с помощью трех хитрых уловок. Во-первых, существует огромное количество фотоэлектрических панелей (их 500, каждая из которых способна выработки 60кВт). Каждая панель установлена ​​на отдельном вращающемся узле, поэтому она может отслеживать Солнце по небу. И на каждой из них установлено несколько линз Френеля, которые концентрируют солнечные лучи на своих солнечных элементах.Фото Денниса Шредера любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 10895528).

Но предположим, что мы действительно хотим произвести больших количества солнечной энергии. мощность. Чтобы произвести столько электроэнергии, сколько здоровенная ветряная турбина (с пиковая выходная мощность может быть два или три мегаватта), вам нужно около 500–1000 солнечных крыш. И чтобы посоревноваться с большим угольным или атомным электростанция (номинальная мощность в гигаваттах, что означает тысячи мегаватт или миллиарды ватт), вам снова понадобится в 1000 раз больше — эквивалент около 2000 ветряных турбин или, возможно, миллион солнечных крыш.(Эти сравнения предполагают, что наша солнечная и ветровая энергия производят максимальную мощность.) Даже если солнечные батареи являются чистыми и эффективными источниками энергии, одна вещь, на которую они не могут претендовать в настоящий момент, — это эффективность использование земли. Даже те огромные солнечные фермы, которые сейчас появляются повсюду место производит только скромное количество энергии (обычно около 20 мегаватт, или около 1 процента от как большая, 2 гигаваттная угольная или атомная электростанция). Возобновляемые источники энергии в Великобритании Компания Ecotricity подсчитала, что требуется около 22000 панелей, уложенных на Участок площадью 12 га (30 акров) для создания 4.2 мегаватта мощности, примерно столько же, сколько два больших ветра турбин и достаточно для питания 1200 домов.

Власть народу

Фото: ветряная микротурбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать батарею, которая поддерживает горение этого предупреждающего знака о строительстве шоссе днем ​​и ночью. Солнечная панель установлена ​​лицом к небу на плоской желтой «крышке», которую вы видите прямо над дисплеем.

Некоторые люди обеспокоены тем, что солнечные фермы сожрут землю, которую мы потребность в реальных фермерских хозяйствах и производстве продуктов питания.Беспокоясь о отвод земли упускает важный момент, если мы говорим о размещении солнечной энергии. панели на отечественные кровли. Экологи утверждают, что Настоящая цель солнечной энергетики не в том, чтобы создавать большие централизованные солнечные электростанции (так что мощные энергокомпании могут продолжать продавать электричество бессильным людям с высокой прибылью), но вытеснить грязные, неэффективные, централизованные электростанции, позволяющие людям создают силу в том самом месте, где они ее используют. Что устраняет неэффективность производства электроэнергии на ископаемом топливе, загрязнение воздуха и выбросы углекислого газа, которые они производят, а также устраняет неэффективность передачи энергии с точки зрения производство до точки использования с помощью воздушных или подземных источников энергии линий.Даже если вам придется покрыть всю крышу солнечными батареями (или ламинируйте тонкопленочные солнечные элементы на все окна), если бы вы могли удовлетворить все ваши потребности в электроэнергии (или даже большую часть их), это не имело бы значения: ваша крыша в любом случае — просто потраченное впустую пространство. Согласно отчету Европейской фотоэлектрической промышленности за 2011 год [PDF] Ассоциации и Гринпис, нет необходимости покрывать ценные сельхозугодья с солнечными батареями: около 40 процентов всех крыш и 15 процент фасадов зданий в странах ЕС подходят для фотоэлектрических панели, которые составят примерно 40 процентов от общего спрос на электроэнергию к 2020 году.

Важно не забывать, что солнечная энергия переключает мощность поколения на точка мощности потребление — и это имеет большой практический преимущества. Наручные часы и калькуляторы на солнечных батареях теоретически не нуждаются в батареях (на практике у них есть резервные батареи) и многие из нас будут наслаждаться смартфонами на солнечных батареях, которые никогда не были нужны зарядка. Дорожные и железнодорожные знаки теперь иногда работают на солнечной энергии; мигающие знаки аварийного обслуживания часто оснащены солнечными батареями поэтому их можно развернуть даже в самых удаленных местах.В развивающиеся страны, богатые солнечным светом, но бедные электричеством инфраструктура, солнечные батареи питают водяные насосы, телефонные будки, и холодильники в больницах и поликлиниках.

Почему солнечная энергия еще не прижилась?

Ответ на этот вопрос — смесь экономических, политических и технологические факторы. С экономической точки зрения в большинстве в странах электричество, вырабатываемое солнечными панелями, по-прежнему дороже, чем электричество, произведенное путем сжигания грязи, загрязняющие ископаемые виды топлива.В мире есть огромные инвестиции в ископаемое топливной инфраструктуры и, хотя могущественные нефтяные компании баловались в ответвлениях солнечной энергии они, кажется, гораздо больше заинтересованы в продление срока службы существующих запасов нефти и газа с такие технологии, как гидроразрыв (гидроразрыв). В политическом плане нефтяные, газовые и угольные компании чрезвычайно сильные и влиятельные и противостоят окружающей среде правила, которые поддерживают возобновляемые технологии, такие как солнце и ветер мощность. Технологически, как мы уже видели, солнечные элементы — это постоянные «незавершенные работы» и большая часть солнечной энергии в мире инвестиции по-прежнему основаны на технологиях первого поколения.Кто знает, возможно, пройдет еще несколько десятилетий, прежде чем последние научные успехи делают экономическое обоснование использования солнечной энергии действительно убедительным?

Одна проблема с аргументами такого рода состоит в том, что они весят только основные экономические и технологические факторы и не учитывают скрытые экологические расходы на разливы нефти, загрязнение воздуха, разрушение земель в результате добычи угля или климат изменения — и особенно будущие затраты, которые трудно или невозможно предсказать.Вполне возможно, что растущее осознание из этих проблем ускорит переход от ископаемого топлива, даже если не будет дальнейших технологических достижений; другими словами, может наступить время, когда мы больше не сможем откладывать всеобщее внедрение возобновляемых источников энергии. В конечном итоге все эти факторы взаимосвязаны. При убедительном политическом лидерстве мир мог взяться за солнечную революцию завтра: политика может заставить технологические усовершенствования, которые меняют экономику солнечной энергетики.

И одной только экономики могло хватить. Темп технологий, инноваций в производство и экономия на масштабе продолжают снижать стоимость солнечных батарей и панелей. Только с 2008 по 2009 год по словам аналитика BBC по окружающей среде Роджер Харрабин, цены упали примерно на 30 процентов, а Растущее доминирование Китая в производстве солнечной энергии с тех пор продолжает их сбивать. В период с 2010 по 2016 год стоимость крупномасштабных фотоэлектрических систем упала. примерно на 10–15 процентов в год, по данным Управление энергетической информации США; В целом цена перехода на солнечную энергию за последнее десятилетие упала примерно на 90 процентов, что еще больше укрепило позиции Китая на рынке.Шесть из десяти ведущих мировых производителей солнечной энергии теперь китайцы; в 2016 году около двух третей новых солнечных мощностей в США приходилось на Китай, Малайзию и Южную Корею.

Фото: Солнечные элементы — не единственный способ получить энергию из солнечного света или даже обязательно наилучшим образом. Мы также можем использовать солнечную тепловую энергию (поглощение тепла от солнечного света для нагрева воды в вашем доме), пассивную солнечную энергию (проектирование здания для поглощения солнечного света) и солнечные коллекторы (показаны здесь). В этой версии 16 зеркал собирать солнечный свет и концентрировать его на двигателе Стирлинга (серый прямоугольник справа), который является чрезвычайно эффективным производителем энергии.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL (идентификатор изображения # 6323238).

Быстро догнать?

Ожидается, что переломный момент для солнечной энергии наступит тогда, когда это возможно. достичь чего-то, что называется паритетом сетки , что означает, что вырабатываемое вами электричество на солнечной энергии становится столь же дешевым, как мощность, которую вы покупаете из сети. Многие европейские страны ожидают достичь этого рубежа к 2020 году. Solar, безусловно, опубликовала очень впечатляющие темпы роста в последние годы, но важно помните, что он по-прежнему представляет только часть всего мира энергия.В Великобритании, например, солнечная промышленность хвасталась «важное достижение» в 2014 году, когда оно почти удвоило общее установленная мощность солнечных панелей примерно от 2,8 ГВт до 5 ГВт. Но что по-прежнему представляет собой лишь пару крупных электростанций и, на максимум выход , что составляет всего 8 процентов от общего количества в Великобритании потребность в электроэнергии примерно 60 ГВт (с учетом таких вещей, как облачность снизит его до какой-то доли 8 процентов).

По данным Управления энергетической информации США, в Соединенных Штатах, где была изобретена фотоэлектрическая технология, по состоянию на 2018 год, солнечный представляет только 1.6 процентов от общего производства электроэнергии в стране. Это примерно на 23 процента больше, чем в 2017 году (когда солнечная энергия составляла 1,3 процента), на 80 процентов больше, чем в 2016 году (когда этот показатель составлял 0,9 процента). и примерно в четыре раза больше, чем в 2014 году (когда солнечная энергия составляла всего 0,4 процента). Тем не менее, это примерно в 20 раз меньше угля. и в 40 раз меньше, чем все ископаемые виды топлива. Другими словами, даже 10-кратное увеличение солнечной энергии в США будет увидеть, что он производит не более половины электроэнергии, чем уголь сегодня (10 × 1,6 = 16 процентов по сравнению с 27.4% по углю в 2018 г.). Это Следует отметить, что два основных ежегодных энергетических обзора в мире, Статистический обзор мировой энергетики и международной В ключевой мировой энергетической статистике энергетического агентства почти не упоминается солнечная энергия. мощность вообще, кроме как в примечании.

: Солнечная энергия с каждым годом производит больше нашей электроэнергии, но все еще далеко столько же, сколько угля. На этой диаграмме сравнивается процент электроэнергии, вырабатываемой в США за счет солнечной энергии. мощность (зеленая линия) и уголь (красная линия).В одних странах положение лучше, в других — хуже. Составлено Expainthatstuff.com с использованием исторических и текущих данных из Управление энергетической информации США.

Это изменится в ближайшее время? Просто могло бы. Согласно Доклад исследователей из Оксфордского университета 2016 г., стоимость солнечной энергии сейчас падает так быстро, что она должна обеспечить 20 процентов мировых потребностей в энергии к 2027 году, что станет серьезным изменением по сравнению с тем, где мы находимся сегодня, и гораздо более быстрыми темпами роста, чем кто-либо прогнозировал ранее.Может ли такой рост продолжаться? Может ли солнечная энергия действительно повлиять на изменение климата, пока не стало слишком поздно? Смотрите это пространство!

Краткая история солнечных батарей

• 1839: французский физик Александр-Эдмон Беккерель (отец пионера радиоактивности Анри Беккереля) обнаруживает, что некоторые металлы являются фотоэлектрическими: они производят электричество при воздействии света.
• 1873: английский инженер Уиллоуби Смит обнаруживает, что селен является особенно эффективным фотопроводником (позже он был использован Честером Карлсоном в его изобретении фотокопировального устройства).
• 1905: физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн разбирается в физике фотоэлектрического эффекта, открытие, которое в конечном итоге принесло ему Нобелевскую премию.
• 1916: американский физик Роберт Милликен экспериментально доказывает теорию Эйнштейна.
• 1940: Рассел Ол из Bell Labs случайно обнаруживает, что полупроводник с легированным переходом вырабатывает электрический ток при воздействии света.
• 1954: Исследователи Bell Labs Дэрил Чапин , Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон создают первый практический фотоэлектрический кремниевый солнечный элемент, эффективность которого составляет около 6 процентов (более поздняя версия — 11 процентов).Они объявляют о своем изобретении, первоначально называвшемся «солнечной батареей», 25 апреля.
• 1958: Космические спутники Vanguard, Explorer и Sputnik начинают использовать солнечные батареи.
• 1962: 3600 солнечных батарей Bell используются для питания Telstar, новаторского телекоммуникационного спутника.
• 1997: Федеральное правительство США объявляет о своей инициативе «Миллион солнечных крыш» — к 2010 году построить миллион крыш, работающих на солнечной энергии.
• 2002: НАСА запускает свой солнечный самолет Pathfinder Plus.
• 2009: Ученые обнаружили, что кристаллы перовскита имеют большой потенциал в качестве фотоэлектрических материалов третьего поколения.
• 2014: совместная работа немецких и французских ученых установила новый рекорд КПД в 46 процентов для солнечного элемента с четырьмя переходами.
• 2020: Согласно прогнозам, солнечные элементы будут соответствовать сетевому паритету (вырабатываемая вами солнечная энергия будет такой же дешевой, как и энергия, которую вы покупаете в сети).
• 2020: Перовскитно-кремниевые элементы обещают значительное повышение эффективности использования солнечной энергии.

Что такое солнечная батарея? — Строительство и работа

Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Отдельные устройства солнечных элементов могут быть объединены в модули, также известные как солнечные панели.

Солнечные элементы можно найти практически везде: от детских игрушек, фонариков, калькуляторов, спутников и т. Д.Солнечные элементы также известны как фотоэлектрические элементы (ФЭ). Фото означает «свет», а гальваника означает «электричество», которые вырабатывают электричество непосредственно из видимого света посредством фотоэлектрического эффекта.

Группа фотоэлементов, которые электрически соединены и помещены в раму, называется модулем (или солнечной панелью), которую затем можно объединить в более крупные группы модулей, чтобы сформировать солнечную систему.

Фотоэлектрические элементы сделаны из полупроводников, таких как кремний, который используется чаще всего.Когда свет попадает на ячейку, часть его поглощается полупроводниковым материалом. Энергия поглощенного света передается полупроводнику. Затем переданная энергия высвобождает электроны и позволяет им свободно течь.

обладают электрическими полями, которые заставляют электроны, высвобождаемые в результате поглощения света, течь в определенном направлении. Этот поток электронов представляет собой электрический ток; С помощью металлических контактов, прикрепленных к верхней и нижней части фотоэлемента, мы можем потреблять энергию для внешнего использования.

Подробнее читайте в нашей статье: 1. Что такое солнечная энергия? 2. Что такое солнечный штраф? 3. Что такое солнечная энергетическая система (автономная и включенная)?

Полупроводниковые материалы, такие как арсенид, индий, кадмий, кремний, селен и галлий, используются для производства фотоэлементов. Обычно для изготовления элемента используются кремний и селен.

Рассмотрим следующий рисунок, который показывает структуру кремниевого фотоэлемента.Верхняя часть ячейки сделана из тонкого слоя материала p-типа, так что свет может легко проникать в материал. Металлические кольца расположены вокруг материала p-типа и n-типа, которые действуют как положительные и отрицательные выходные клеммы соответственно.

Мультикристаллический или монокристаллический полупроводниковый материал составляет отдельную единицу фотоэлемента. Монокристаллическая ячейка вырезана из объема полупроводникового материала. Многоклеточные элементы получаются из многогранного материала.

Выходное напряжение и ток, полученные от каждого элемента ячейки, очень малы. Выходное напряжение составляет 0,6 В, а ток — 0,8 В. Различные комбинации ячеек используются для повышения эффективности вывода.

Схема солнечного элемента

Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, электроны в кремнии выбрасываются, что приводит к образованию «дырок» — вакансий, оставленных убегающими электронами. Если это происходит в электрическом поле, поле переместит электроны в слой n-типа, а дырки — в слой p-типа.

Я знаю, я знаю, что это похоже на ракетостроение, но не давайте обсуждать это подробно. Солнечный элемент состоит из двух типов полупроводников, называемых кремнием p-типа и n-типа.

Кремний p-типа получают путем добавления таких атомов, как бор или галлий, у которых на внешнем уровне энергии на один электрон меньше, чем у кремния. Поскольку бор имеет на один электрон меньше, чем требуется для образования связей с окружающими атомами кремния, создается электронная вакансия или «дырка».

Кремний n-типа состоит из атомов, у которых на внешнем уровне на один электрон больше, чем у кремния, таких как фосфор.У фосфора на внешнем энергетическом уровне пять электронов, а не четыре. Он связывается с соседними атомами кремния, но электрон не участвует в связи. Вместо этого он может свободно перемещаться внутри кремниевой структуры.

Солнечный элемент состоит из слоя кремния p-типа, который расположен рядом со слоем кремния n-типа. В слое n-типа имеется избыток электронов, а в слое p-типа имеется избыток положительно заряженных дырок.

Вблизи стыка двух слоев электроны на одной стороне перехода (слой n-типа) перемещаются в отверстия на другой стороне перехода (слой p-типа).Это создает область вокруг соединения, называемую зоной истощения, где электроны заполняют дырки.

Когда все дырки в зоне обеднения заполнены электронами, сторона p-типа зоны обеднения (где дырки изначально присутствовали) теперь будет содержать отрицательно заряженные ионы, а сторона n-типа зоны обеднения (где электроны присутствовали) теперь будут содержать положительно заряженные ионы.

Присутствие этих противоположно заряженных ионов создает внутреннее электрическое поле, которое не позволяет электронам в слое n-типа заполнять дыры в слое p-типа.

Если вы соедините слои n-типа и p-типа металлическим проводом, электроны будут перемещаться от слоя n-типа к слою p-типа, пересекая зону обеднения, а затем пройдя через внешний провод позади слой n-типа, создающий поток электричества.

Типы солнечных элементов

Ниже представлены различные типы солнечных элементов:

• Аморфный кремниевый солнечный элемент (a-Si)
• Биогибридный солнечный элемент.
• Солнечный элемент на основе теллурида кадмия (CdTe)
• Концентрированный фотоэлемент (CVP и HCVP)
• Солнечные элементы на основе селенида меди, индия и галлия (CI (G) S)
• Солнечный элемент из кристаллического кремния (c-Si)
• Float-zone кремний.

В большинстве солнечных элементов используется кремний другого типа. Фактически, около 90% всех солнечных или фотоэлектрических элементов содержат кремний. Эффективность солнечного элемента по преобразованию солнечного света в энергию прямо пропорциональна чистоте их молекул кремния.

Кроме того, чем выше КПД, тем дороже солнечная панель. Однако этот аспект не должен быть решающим фактором при выборе одного типа, а не другого.

Помимо гибридной версии, солнечные панели подразделяются на три типа, в основном в серийном производстве.Все три типа основаны на кремниевых полупроводниках.

1. Монокристаллические солнечные элементы

Эти солнечные панели сделаны из тонких пластин кремния, которые извлекаются из искусственно выращенных кристаллов. Изолированные монокристаллы помогают формировать эти клетки и делать их наиболее эффективными.

Поэтому они самые дорогие среди других типов. По сравнению с аналогичными поликристаллическими элементами, монокристаллические солнечные элементы примерно на 35% дороже и обеспечивают КПД от 15 до 24%.

2. Поликристаллические солнечные элементы

Поликристаллические солнечные элементы также изготавливаются с использованием тонких кремниевых пластин, полученных из искусственно выращенных кристаллов, с той лишь разницей, что это не монокристаллы. Скорее, они используют несколько взаимосвязанных кристаллов кремния, распространяющихся одновременно.

Следовательно, их производство дешевле, и они по-прежнему предлагают коэффициент полезного действия 13–18%.

3. Аморфные солнечные элементы

Самая дешевая форма солнечных элементов — это аморфные солнечные элементы.Это только что запускаемые ячейки, которые производятся уникальным способом. Они избегают использования кристаллов. Вместо этого их производственный процесс включает тонкие отложения кремния на подложке.

Аморфные солнечные элементы обеспечивают два основных преимущества, т.е. Гибкость солнечных элементов благодаря чрезвычайно тонкому слою кремния и высокая эффективность при слабом освещении зимой.

Но, хотя они обещают вышеуказанные преимущества, они также снижают эффективность. Они обеспечивают самый низкий КПД от 7% до 9% по сравнению с двумя другими вариантами.Таким образом, им требуется примерно вдвое больше площади панели, чтобы обеспечить такой же результат.

До сих пор у них даже нет утвержденной технологии производства в отрасли, и поэтому они менее надежны, чем два других типа солнечных панелей.

4. Гибридные солнечные элементы

Это не полностью солнечный элемент, а гибридный солнечный элемент, представляющий собой смесь монокристаллических солнечных элементов и аморфных солнечных элементов. Гибридные солнечные элементы, называемые солнечными элементами HET (гетеропереход с внутренним тонким слоем).

По сравнению с каждым отдельным типом солнечных элементов, гибридный тип является наиболее эффективным из-за комбинации мощности двух солнечных элементов. Лучше всего они работают в солнечное время года, то есть при температуре выше 250 ° C. С учетом того же, это помогает вырабатывать примерно на 10% больше электроэнергии.

Если нужно выбирать лучшее, поликристаллические ячейки оказываются наиболее подходящими для большинства установок благодаря их соотношению цены и качества, конструкции и эффективности.

Солнечные элементы обычно называют в честь полупроводникового материала, из которого они сделаны.Эти материалы должны обладать определенными характеристиками, чтобы поглощать солнечный свет.

• Кристаллический кремний
• Аморфный кремний (a-Si)
• Диселенид меди-индия и галлия (CIGS)
• Тонкая пленка арсенида галлия
• Теллурид кадмия (CdTe)
• Монокристаллический кремний
• Эпитаксиальное проявление поликристаллического кремния
• Ленточный кремний
• Моноподобный мультисиликон (MLM)

• Возобновляемая энергия: Энергию можно использовать для выработки электричества, а также тепла в доме, либо через солнечные фотоэлектрические системы или солнечная тепловая энергия.
• Экономичная энергия: Солнечные элементы — отличный способ сэкономить деньги на счетах за электроэнергию, потому что вы не платите за энергию, которую вы производите.
• Экологически чистая энергия: Солнечные батареи почти не загрязняют окружающую среду. Сброс отходов и загрязнение неизбежны в связи с производством солнечных батарей.
• Инновационная энергия: Фотоэлектрическая энергия — популярная тема в зеленой энергии и считается хорошим решением для предотвращения изменения климата.
• Бесконечная энергия: Если у вас есть способность черпать энергию из солнечных лучей, это источник энергии, который никогда не будет исчерпан.
• Долгосрочная энергия: Фотоэлектрические системы часто имеют длительный срок службы и хороший срок службы.
• Продажа энергии: Если в вашем доме есть солнечные батареи, зачастую проще продать недвижимость по более высокой цене.

• Внутренние потребности: Не все домохозяйства, которые отвечают их требованиям и могут максимально использовать свои солнечные элементы.
• Для больших инвестиций требуются: Стоимость установки солнечных модулей относительно высока.
• Сезонная энергия: По сравнению с другими видами возобновляемой энергии, солнечная электростанция является очень сезонной.
• Сложно установить солнечные панели в вашем доме: В старых домах может быть сложнее установить солнечные панели, поскольку они часто имеют различную конструкцию, которая может обеспечивать тень.

• Солнечные элементы очень полезны для питания космических аппаратов, таких как спутники и телескопы.
• Может использоваться для зарядки аккумуляторов.
• Используется в люксметрах.
• Используется для питания калькуляторов и наручных часов.
• Может использоваться в космических кораблях для выработки электроэнергии.

Подробнее читайте в нашей статье:

1. Что такое солнечная энергия?
2. Что такое солнечный штраф?
3. Что такое солнечная энергетическая система (автономная и включенная)?

Часто задаваемые вопросы.

Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление.Отдельные устройства солнечных элементов могут быть объединены в модули, также известные как солнечные панели.

Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, электроны в кремнии выбрасываются, что приводит к образованию «дырок» — вакансий, оставленных убегающими электронами. Если это происходит в электрическом поле, поле переместит электроны в слой n-типа, а дырки — в слой p-типа.

Типы солнечных элементов:
1.Аморфный кремниевый солнечный элемент (a-Si)
2. Биогибридный солнечный элемент.
3. Солнечный элемент из теллурида кадмия (CdTe)
4. Концентрированный фотоэлектрический элемент (CVP и HCVP)
5. Солнечные элементы из селенида меди, индия и галлия (CI (G) S)
6. Солнечный элемент из кристаллического кремния (c-Si)
7. Кремний плавающей зоны.

Как работают солнечные панели? | Фотоэлементы

В течение десятилетий рекламируемые как многообещающий альтернативный источник энергии, солнечные панели венчают крыши домов и придорожные знаки, а также помогают поддерживать питание космических аппаратов.Но как работают солнечные панели?

Проще говоря, солнечная панель работает, позволяя фотонам или частицам света выбивать электроны из атомов, создавая поток электричества. Солнечные панели на самом деле состоят из множества небольших блоков, называемых фотоэлектрическими элементами. (Фотоэлектрические элементы просто означают, что они преобразуют солнечный свет в электричество.) Многие элементы, соединенные вместе, составляют солнечную панель.

Каждый фотоэлектрический элемент представляет собой сэндвич, состоящий из двух пластин полупроводящего материала, обычно кремния — того же материала, что и в микроэлектронике.

Связано: Как работают атомные часы?

Для работы фотоэлектрическим элементам необходимо создать электрическое поле. Подобно магнитному полю, которое возникает из-за противоположных полюсов, электрическое поле возникает, когда противоположные заряды разделены. Чтобы получить это поле, производители «смешивают» кремний с другими материалами, придавая каждому кусочку сэндвича положительный или отрицательный электрический заряд.

В частности, они вводят фосфор в верхний слой кремния, который добавляет к этому слою дополнительные электроны с отрицательным зарядом.Между тем нижний слой получает дозу бора, что приводит к уменьшению количества электронов или положительному заряду. Все это складывается в электрическое поле на стыке между слоями кремния. Затем, когда фотон солнечного света выбивает электрон, электрическое поле выталкивает этот электрон из кремниевого перехода.

Пара других компонентов ячейки превращает эти электроны в полезную энергию. Металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на провода.В этот момент электроны могут течь, как любой другой источник электричества.

Недавно исследователи создали ультратонкие гибкие солнечные элементы толщиной всего 1,3 микрона — примерно 1/100 ширины человеческого волоса — и в 20 раз легче листа офисной бумаги. На самом деле, элементы настолько легкие, что могут находиться на вершине мыльного пузыря, и при этом они производят энергию с такой же эффективностью, как и солнечные элементы на основе стекла, сообщили ученые в исследовании, опубликованном в 2016 году в журнале Organic Electronics.Такие более легкие и гибкие солнечные элементы могут быть интегрированы в архитектуру, аэрокосмические технологии или даже в носимую электронику.

Существуют и другие типы технологий солнечной энергии, в том числе солнечная тепловая энергия и концентрированная солнечная энергия (CSP), которые работают иначе, чем фотоэлектрические солнечные панели, но все они используют энергию солнечного света для производства электричества или нагрева воды или воздуха. .

Примечание редактора : Эта статья была первоначально опубликована 7 декабря.16 декабря 2013 г., и 6 декабря 2017 г. он был обновлен, чтобы включить последние достижения в области солнечных технологий.

Первоначально опубликовано на Live Science .