Солнечные батареи как устроены: Устройство солнечной батареи — полный обзор элементов. Жми!

как устроена и работает солнечная 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
• Внутреннее устройство гелиобатареи
  • Виды кристаллов фотоэлементов
  • Принцип работы солнечной панели
• Эффективность батарей гелиосистемы
• Схема электропитания дома от солнца
• Выводы и полезное видео по теме

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.

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

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 отопления дома.

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:

Монокристаллические.

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.

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.

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 контроллером управления, 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:

Гелиопанели.

Контроллер.

Аккумуляторы.

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 инвертор. 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 схемы подключения солнечных батарей 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 системе солнечного электроснабжения 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.

Источник sovet-ingenera. com

«Важнейшее изобретение человечества»: как устроены солнечные батареи

Краткая история

Первый шаг в долгой истории солнечной энергетики был сделан в 1839 году, когда французский физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект. Более ста лет спустя химик Кельвин Фуллер, физик Джеральд Пирсон и инженер Дэрил Чапин, работавшие в компании Bell Laboratories, построили первый кремниевый фотоэлемент.

Никто из изобретателей не думал об отказе от нефти или защите окружающей среды: Чапин пытался создать источники питания для телефонов, установленных в отдаленной местности, а Пирсон и Фуллер исследовали свойства полупроводников.

Как работают солнечные батареи?

Чтобы понять принцип работы фотоэлементов, необходимо обратиться к строению атома кремния. На его внешней электронной оболочке есть вакантные места для электронов, которые атом пытается заполнить, образуя с другими атомами кристаллическую решетку. Чистый кристаллический кремний не может проводить ток, поэтому в солнечных панелях его смешивают с фосфором, на внешней электронной оболочке которого есть избыточный электрон. Полученный материал известен как кремний n-типа.

Кремний n-типа располагается на внешней поверхности солнечной панели, в внутри его сменяет кремний p-типа. В его состав добавлены такие элементы, как галлий или бор, у которых на внешней электронной оболочке не хватает электрона. Когда фотоны солнечного света возбуждают избыточные электроны в n-кремнии, те стремятся заполнить вакантные места в p-кремнии. Движение заряженных частиц генерирует электричество.

Солнечные батареи сегодня

На протяжении большей части XX века фотоэлементы планировалось использовать для энергообеспечения космических аппаратов, поэтому их старались сделать как можно более легкими. В наши дни солнечные батареи массово используются на Земле, поэтому они должны быть прочными и долговечными. Для этого слой кремния накрывают прозрачным стеклом, пропускающим ультрафиолет.

Другой важнейшей характеристикой солнечных батарей стала их эффективность — то есть количество солнечного света, упавшего на квадратный метр фотопанели и преобразованного в электричество.

Около десяти лет назад КПД фотоэлементов колебался около 13%, однако к 2019 году он возрос до примерно 20%.

Как увеличить предел эффективности кремниевых панелей?

Физическая природа кремния ограничивает теоретически возможную эффективность солнечных панелей значением в 29%. Но есть способы преодолеть это ограничение. Например, недавно исследователи из MIT доказали, что максимальный КПД кремниевых фотоэлементов можно повысить до 35%, дополнив конструкцию тонкими слоями тетрамицена и оксинитрида гафния. Они позволяют одному фотону выбивать сразу два электрона.

Другая возможность — использование новых материалов, например, перовскитов. Всего за несколько лет эффективность перовскитных солнечных элементов выросла с 10% до 20%. К сожалению, вне лаборатории результаты пока не такие впечатляющие, поскольку перовскит быстро теряет свои свойства под воздействием воды и других внешних факторов.

Как интегрировать энергию Солнца в энергосистему?

Главный недостаток Солнца в качестве источника энергии — его непостоянство. Ночью и в пасмурную погоду фотоэлементы становятся бесполезными. Естественный выход — объединение солнечных панелей с батареями для хранения энергии. Кроме того, использование солнечной энергии можно оптимизировать с помощью систем умного дома. Они могут, например, воспользоваться жарким днем, чтобы включить кондиционеры и охладить дом к приходу хозяина. 

Солнечная энергия быстро вытесняет традиционные источники из энергосистем целых стран. Например, в Германии в минувшем июне Солнце стало главным источником электричества.

Как устроены и как работают солнечные батареи?

Обновлено: 14.09.2020

Как устроен и работает фотоэлемент?

Фотоэлемент преобразует энергию солнечного света в электроэнергию. Он изготавливается из пластины очищенного кремния, в верхнюю часть которой добавляют атомы фосфора, а в нижнюю — атомы бора.

Таким образом, в пластине образуются 2 слоя: сверху N-слой (Negative) с избытком электронов, а снизу — P-слой (Positive) с дефицитом электронов. Между слоями образуется PN-переход — электрическое поле, не позволяющее электронам из N-слоя переходить в P-слой.

Фотоны солнечного света выбивают электроны из атомов кремния в PN-переходе. При этом, под воздействием поля PN-перехода, электроны переходят только в верхний N-слой. Между слоями усиливается разность потенциалов, и соединив их электродами, можно получить электрический ток.

Как устроена солнечная панель

Ячейки фотоэлементов последовательно соединяют, крепят на каркас и запаковывают в общую рамку (таким образом, чтобы в случае выхода из строя их можно было заменять по одному). Получается солнечная панель с двумя электродами, генерирующая постоянный ток.

Чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, снаружи ее покрывают стеклом.

Т.к. кремний хорошо отражает свет, значительная часть фотонов может не достигать PN-перехода. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием.

КПД и эффективность солнечных батарей

Коэффициент фотоэлектрического преобразования современных солнечных батарей — примерно 20%. Т.е. всего 20% энергии солнечного света преобразуется в электричество. Причем, КПД снижается при нагреве солнечной панели из-за броуновского движения электронов.

Однако, для владельца солнечной электростанции важен не столько КПД панелей, сколько их мощность (т.е. сколько энергии они могут вырабатывать), а также стоимость, надежность и срок службы.

Как рассчитать рентабельность солнечной электростанции — описано здесь.

Однако, не забывайте, что технологический прогресс в солнечной энергетике постоянно снижает стоимость солнечных панелей, повышает их надежность и срок службы, и даже КПД.

Виды солнечных панелей

— Монокристаллические — на основе монокристалла кремния. КПД около 19% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходима площадь 7 кв. м. Применение нашли как в быту, так и на специальных станциях.

— Поликристаллические — на основе выращенных поликристаллов кристаллов кремния. КПД — около 16% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходимо 8,3 кв.м. Применяются там, где необходимы отдельные элементы мощностью свыше 200 ватт.

— Тонкопленочные фотовольтажные модули (ТFT) — наиболее производительные на данный момент. КПД — около 25% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходимо 18,3 кв.м. Рациональны там, где необходимо производить свыше 2,5 кВт выходной электроэнергии, т.е. системы от 10 КВт номинальной мощности. Отличаются высокой чувствительностью и могут работать при рассеянном свете, при этом дают высокое напряжение при низком токе.

Мировыми лидерами производства солнечных панелей являются компании First Solar (США), Sharp (Япония), Suntech, Yingli, Trina Solar (все Китай).

Ниже — представлены новости развития технологий солнечных батарей.

2020. Созданы первые перовскитные фотоэлементы с КПД 18%

Перовскит — минерал, который может прийти на смену кремнию в индустрии фотоэлементов. По КПД он не уступает кремнию, но позволяет изготавливать более легкие, гибкие и полупрозрачные солнечные панели, идеально подходящие для облицовки зданий. Однако, есть проблема с нанесением перовскита на большие площади, т.к. обычно это приводит к появлению дефектов и снижению КПД. Специалисты Наньянского технологического университета (Сингапура) применили метод нанесения перовскитного покрытия тепловым напылением и обнаружили, что в результате получаются модули солнечных элементов на 21 кв. см с рекордным КПД — 18,1%. Это наивысший зарегистрированный результат для масштабируемых перовскитовых фотоэлементов.

2020. Украинский стартап создал солнечную электростанцию в виде куба

Украинская компания «Карбон КНС», занимающаяся строительством промышленных солнечных электростанций, разработала небольшую домашнюю СЭС в форме куба — Cuber. Ее особенности в том, что, в отличие от классических СЭС, ее установка не требует подготовительных работ и укрепления крыши. Cuber представляет собой компактную солнечную электростанцию габаритами 2*2 метра. Поставляется в собранном виде, но, по словам разработчиков, на то, чтобы собрать конструкцию, подключить и начать пользоваться — уйдет всего один день. Cuber стоит $3000. Мощность — 3 кВт*ч — этого хватит на то, чтобы на 70% обеспечить электроэнергией среднестатистический по размерам частный дом, укомплектованный всей необходимой техникой.

2019. Созданы прозрачные солнечные батареи из кремния

Прозрачные фотоэлементы могли бы совершить революцию в энергоэффективности зданий: ведь тогда окна и стеклянные стены небоскребов превратятся в солнечные батареи. Однако, к сожалению, основной материал солнечных батарей — кремний — не прозрачный. А альтернативные материалы — либо дороги, либо не эффективны. Команда исследователей под руководством Се Квон Юна из Южной Кореи придумала оригинальную идею: пробить в кремниевом фотоэлементе крошечные отверстия размером с человеческий волос. Дыры расположены в заданном порядке и невидимы человеческому глазу, зато фотоэлемент становится почти прозрачным. Конечно, КПД уменьшился в 2 раза — до 12%. Ну и ладно, ведь окно с КПД 12% лучше окна, которое вообще не вырабатывает энергию. А производственный процесс (по словам разработчиков) — довольно простой, так что дырявые солнечные панели будут стоить примерно как обычные.

2019. Создано покрытие для солнечных батарей, следящее за солнцем

Сейчас иногда маленькие наземные солнечные электростанции оборудуются поворотными системами (трекерами), которые отслеживают движение солнца в течение дня. Говорят, такой трекер увеличивает производство энергии на 30%. Но очевидно, что он также значительно усложняет и удорожает конструкцию, снижает надежность и долговечность СЭС, да и сам потребляет часть энергии. Ученные Калифорнийского университета, возможно, придумали более красивое решение. Они создали особый материал, который может отслеживать направление на солнце, как подсолнух. Он состоит из элементов размером менее одного миллиметра, которые расширяются и сжимаются при нагревании. Благодаря этому материал выгибается в сторону источника тепла.

2019. Солнечные батареи могут использовать снег для выработки дополнительной энергии

Зимой солнечные панели иногда заносит снегом, и приходится их очищать. Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе отчасти решили эту проблему, создав дополнительную панель Snow TENG, которая вырабатывает электричество от взаимодействия непосредственно с выпавшим снегом. Происходит это благодаря трибоэлектрическому эффекту, когда электрические заряды возникают в ходе трения одних заряженных частиц с другими. В случае с устройством Snow TENG, положительно заряженным объектом выступает снег, а отрицательным — нанесенный на поверхность панелей силикон, подсоединенный к электродам. Конечно, вырабатываемая энергия — небольшая, но возможно, ее хватит, чтобы растопить снег и очистить панель.

2019. Корейцы сделали фотоэлементы из перовскита на 80% эффективнее

В 2013 журнал Science в своем рейтинге топ-10 прорывов года отметил открытие возможности создания солнечных батарей из перовскита. Перовскит (титанат кальция) — это сравнительно редкий для поверхности Земли минерал (в отличии от кремния). Но он дешевый, его можно наносить на гибкую поверхность и он имеет трехмерную структуру, которая позволяет солнечной батарее эффективно работать даже на закате, в облачную погоду и в туман. Изначально КПД перовскитовых фотоэлементов была ниже кремниевых — 15%. Но вот ученые из южно-корейского университета UNIST поколдовали и создали комбинацию двойного перовскита (Cs2SnI6) и органической ячейки Гретцеля, которая продемонстрировала хорошие показатели переноса заряда, достигнув увеличения плотности фотоэлектрического тока на 79% по сравнению с обычным жидким электролитом.***

Принцип действия или как работают солнечные батареи

Сегодня энергия солнца используется повсюду, от мобильных устройств, до питания домов. Первым вариантом использования солнечной энергии были солнечные коллекторы, однако современные солнечные батареи справляются с этим намного лучше. Принцип работы солнечных батарей не так сложен, как может показаться. После прочтения этой статьи вы узнаете больше о том, как же работает солнечная батарея.

1. Виды солнечных батарей.

1.1. Принцип работы солнечной батареи

Для начала нужно уточнить, что современные солнечные батареи бывают 3-х видов:

• Монокристаллические
• Поликристаллические
• Тонкопленочные (аморфные)

Самыми распространенными видами солнечных батарей считаются монокристаллические и поликристаллические батареи. Они обладают достаточно высоким КПД, а так же имеют относительно низкую цену, однако у таких батарей есть недостаток — конструкции с их использованием не обладают гибкостью, которая необходима в некоторых случаях.

Именно в таких случаях используются тонкопленочные солнечные батареи. Толщина активного элемента аморфных солнечных батарей составляет от 0,5 до 1 мкм, тогда как толщина активного элемента в кристаллических батареях 300 мкм.

Светопоглащаемость аморфного кремния в 20 раз больше, чем у кристаллического, однако КПД аморфных солнечных батарей составляет приблизительно 10%, против 15% у поликристаллических, и 17% у монокристаллических.

Невозможно однозначно сказать какие солнечные батареи лучше. Например тонкопленочным солнечным батареям не нужен прямой солнечный свет, тогда как поли и монокристаллические должны находиться именно на улице под прямыми солнечными лучами.

1.2.  Из чего сделана солнечная батарея?

Солнечные батареи обычно изготавливаются из кремния. Однако чистый кремний практически никогда не используют при их производстве. На характеристики солнечных батарей влияют материалы, из которых изготовлены пластины. Для положительного заряда в качестве примеси к кремнию чаще всего используют бор, а для отрицательного – мышьяк.

Так как солнечные батареи работают зимой так же, как и летом – в пластины добавляют специальные примеси, такие как галлий, медь, арсенид, кадмий, теллурид, селен для того, чтобы сделать их менее чувствительными к перепадам температуры. Это делает элементы солнечной батареи зимой более надежными, и снижает риск их поломки.

2. Принцип действия солнечных батарей.

Многие из вас еще в школе проводили опыт, который описывает принцип работы солнечной батареи. Суть опыта в том, что на n-p переход транзистора со спиленной верхней крышкой падает свет, и если подключить вольтметр, то можно зафиксировать ток. Соответственно чем больше площадь n-p перехода, тем больше ток.

Так как атомы в p-слое полупроводника имеют лишние электроны, а в атомах n-слоя наоборот их недостает – то под воздействием лучей света электроны из p-слоя вбиваются и стремятся перейти в n-слой. В солнечной батарее между слоями находится диэлектрик, поэтому электроны проходят через нагрузку (аккумулятор), и только тогда достигают n-слоя.

3. Где используются солнечные батареи?

Наверное, многие впервые встретились с солнечными батареями около 20 лет назад, когда повсюду стали появляться калькуляторы с

фотоэлементами, что позволяло не менять батарейки в них годами. С тех пор солнечные батареи можно встретить где угодно. Ими оснащают дома в солнечных странах, их устанавливают на машины, их встраивают в мобильные телефоны, существует даже беспилотный самолет, который работает за счет одних только солнечных батарей. Существуют так же и солнечные электростанции, которые вырабатывают электричество для целых городов.

В Пекине в честь летней олимпиады был построен стадион, который аккумулирует солнечную энергию в течении дня, а потом тратит ее же на освещение стадиона, поливку газонов, работу телекоммуникационного оборудования.

В настоящее время в данной отрасли ведутся активные исследования. В начале 2013 года компания Sharp разработала солнечную батарею с КПД 44%.

4. Как устроены солнечные батареи: Видео

Солнечные батареи, как устроены и их будущее — Очень Интересно

Использованию энергии солнца уделяется всё больше внимание на планете. Многие страны, как например США, поощряют её применение не только в промышленных масштабах, но и в частном секторе. Основным элементом, позволяющим получать электроэнергию от солнца, являются определенные панели, которые состоят из специально разработанных для этого фотоэлементов. Как раз солнечным батареям посвящена эта статья. В ней мы рассмотрим: как они устроены, для чего нужны, сколько энергии можно получить благодаря им и возможно ли их сделать собственными руками.

Солнечная батарея — как устроена

Наиболее распространенным элементом, который востребован при создании солнечных батарей, является кремний. Кроме него для производства этих источников энергии, применяют: селениды меди, Галлий, Индий, теллурид кадмия. Использование этих элементов позволяет сделать более устойчивым это изделие к температурным перепадам. При изготовлении солнечных панелей используют разные технологии, наиболее распространёнными являются:

• Поликристаллическая;
• Монокристаллическая.

Последняя считается менее затратной и инновационной, что дает возможность производить элементы, преобразующие излучение света более дешевле. Несмотря на довольно-таки значительный период существования солнечных панелей принцип их действия остался неизменным. Модернизация затронула лишь материалы и конструктивные особенности. Это позволило существенно увеличить КПД устройства и улучшить показатель фотоэлектрического преобразования. Следует учитывать, что на величину напряжения и выходного тока панели влияет не только её площадь, но и непосредственно внешняя освещённость, чем она больше, тем эти показатели лучше. Этого добиваются, монтируя группы модулей, в основе которых лежат солнечные ячейки на специально разработанные поворотные механизмы. Что позволяет разворачивать солнечные панели вслед движению небесного источника света.

Солнечный модуль —> контроллер —> аккумулятор —> инвертор

Принцип работы этого устройства многим знаком со школы, он основан на преобразовании света в электричество p-n переходом. Проводимые на уроках опыты наглядно демонстрировали как свет, направленный на транзистор, верхняя крышка которого отсутствовала, инициировал возникновение минимальных электрических волн. Чтобы добиться стабильного напряжения всего-то и нужно – сделать площадь p-n перехода значительно больше. Поэтому в структуре фотоэлектрического преобразователя используется вместе с вышеописанным p-n переходом ещё и два специальных электрода которые позволяют снимать возникающее выходное напряжение.

Сколько энергии вырабатывают различные солнечные батареи

Как уже упоминалось выше, мощность вырабатываемой солнечной панелью энергии зависит от многих факторов: конструкции, используемого материала, площади, уровня освещенности. В погожий день, летом, без облаков на поверхность равную 1 квадратному метру приходится приблизительно 1 кВт мощности излучения солнца. Но таких дней немного, когда тучи закрывают всё небо этот показатель может опускаться до 100 Вт, поэтому для расчётов возьмём усредненное значение в 500 Вт.

Наиболее минимальным КФД в 5% обладают органические фотоэлементы. Затем идут фотохимические и аморфные элементы с 10% фотоэлектрического преобразования. Соответственно один квадратный метр таких панелей, станет вырабатывать соответственно 25 и 50 Вт.

Наиболее применяемыми стали фотоэлементы на основе полупроводников, изготовленных из кремния. Их расчётный КФД колеблется от 20 до 25 процентов. Что позволяет такой метровой панели выдавать до 125 Вт мощности.

Элементы, изготовленные из арсенида галлия, занимают первое место по своим показателям. Такие солнечные батареи позволяют вырабатывать до 150 Вт с 1 м2, так как их показатель фотоэлектрического преобразования превышает 30%.

Что могут солнечные батареи, и какое у них будущее

Применение солнечных батарей, с каждым годом, становиться всё более популярным. Они находят применение не только в электрификации дачи или жилого дома, но и во многих других сферах. Начнем с космоса. Здесь использование солнечных панелей давно стало нормой: они снабжают энергией различные теле-, радио-, GPS-спутники, МКС и прочие космические аппараты. Большинство инновационных материалов и технологий первыми проходят испытания на земной орбите, а уже потом находят применение в быту.

Для экономии электроэнергии возможности фотоэлектронных преобразователей используются на улицах многих городов:

• Искусственные деревья с такими панелями позволяют вырабатывать энергию для освещения улиц, раздачи Wi-Fi, подзарядки телефонов.
• Установка фотоэлементов позволяет автономно работать терминалам, вывескам, светофорам и прочим объектам инфраструктуры.
• Интеграция солнечных батарей в дорожное покрытие. Заменяя асфальтовое покрытие специальными панелями можно не только вырабатывать дополнительную электроэнергию, но и использовать её для иных целей: подсветки дорожных объектов, отводу и очищению сточных вод, растапливанию снега и прочее.

В медицине фотоэлементы нашли своё применение. Чтобы постоянно не менять батарейки на различных имплантах, там используют аккумуляторы, подзаряжающиеся от пластин вживляющихся под кожу. По итогу фотоэлектронные преобразователи становятся востребованы буквально везде.

Можно ли самому сделать солнечные батареи

При большом желании изготовить солнечную панель можно самостоятельно. Для этого необходимо правильно:

• Рассчитать необходимую для питания всех приборов выходную мощность;
• Выбрать с соответствующим КФП фотоэлементы;
• Изготовить каркас;
• При необходимости провести пайку;
• Собрать элементы в одну панель;
• Осуществить их герметизацию;
• Установить на выбранное место.

Это все не потребует специальных навыков, главное, не боятся.

Итог

Солнечная энергетика всё больше завоёвывает поклонников. Развитие этих технологий удешевляет материалы и увеличивает КПД солнечных батарей. Их применение в различных сферах даёт надежду, что люди, наконец, перестанут отравлять земную атмосферу, что соответственно положительно отразится на их здоровье.

Как устроены и работают солнечные батареи

В современных условиях каждый пытается найти для себя выгодный источник электроэнергии, в данном случае мы рассмотрим независимый источник на солнечных батареях или фотоэлектрических панелях.
Несмотря на достаточно высокую стоимость оборудования, компенсация и окупаемость сравнительно быстрые, а в итоге Вы сможете получать бесплатную электроэнергию.

Немаловажным аспектом является экологичность данных источников, что предоставляет достаточно перспективные пути их развития.

Классический вид этого источника энергии представляет собой совокупность следующих составляющих элементов:

• генератор постоянного тока – солнечную батарею,
• аккумулятор с контролем заряда,
• инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный.

Солнечная батарея состоит из ряда фотоэлектрических преобразователей, цель которых превратить (преобразовать) солнечную энергию в электрическую.
Солнечные элементы производятся из кремния, достаточно дорогого по себестоимости материала, что и объясняет высокую стоимость солнечных панелей.
Наиболее распространенными являются 2 типа фотоэлектрических преобразователей: из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются по технологии производства и по КПД (незначительно) – 17,5% и 15% соответственно.

Как устроены солнечные батареи

Важнейшим техническим параметром, который определяет характеристики солнечной батареи, является мощность.

 

Она определяется напряжением и выходным током.
Эти параметры зависимы от интенсивности солнечного света, который попадает на батарею. Если освещенная солнцем батарея замкнута на нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки.
Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.
Солнечная батарея состоит из солнечных элементов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно, в зависимости от того, какие выходные параметры необходимо получить (напряжение, мощность и ток). При параллельном соединении увеличивается выходной ток, а при последовательном – выходное напряжение.
Чтоб увеличить и ток, и напряжением, подключения (последовательное и параллельное) комбинируют.
Дополнительным преимуществом такого соединения является то, что при выходе из строя одного солнечного элемента вся солнечная батарея функционирует корректно без сбоев.

Элементы солнечной батареи шунтируют диодами, которые предохраняют от выхода из строя части батареи, на которую временно не попадает солнечный счет, и она осталась затемненной.
При этом батарея временно генерирует на 25% меньше энергии, чем при ситуации с полным освещением всей поверхности.
Отсутствие диодов будет приводить к перегреванию солнечных элементов и быстрому выходу их из строя как результат, поскольку на время затемнения они превращаются в потребителей тока, а при использовании диодов через них ток не идет. Получаемая электрическая энергия сначала накапливается в аккумуляторе, а потом передается в нагрузку.
Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора. Для зарядки свинцового аккумулятора 12В необходима солнечная батарея, состоящая из 36 элементов.

Если солнечное освещение слабое, то заряд аккумулятора уменьшается, а батарея отдает электрическую энергию.
Аккумуляторные батареи все время работают в режиме разряда-подзаряда. Наиболее эффективны гелевые и свинцовые батареи, изготовленные по AGM-технологии. Их срок службы 10-12 лет при разряде не более 20%.

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батарее подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.
Для того чтоб преобразовать постоянное напряжение от аккумулятора в переменное напряжение, которым можно использовать для питания большинства электро приемников совместно с солнечной батарей, можно использовать специальные устройства – инверторы.
Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электро приемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Как работает солнечная батарея?

Солнечный свет не только делает возможной жизнь на Земле, он может со временем также стать и поставщиком большого количества электроэнергии, без которой немыслима современная цивилизация. Использование солнечного света может быть не прямым, а в виде подвода энергии к турбинам.

В этом случае комплект зеркал фокусирует солнечную энергию на теплообменник, который испаряет воду или любую другую жидкость, вырабатывая пар для привода обычной турбины, соединенной с генератором. Однако возможно и прямое преобразование солнечного света в электроэнергию, например, при помощи кремниевых солнечных элементов.

Типичный солнечный элемент состоит из шести слоев. Основание (база) одновременно выполняет роль отрицательного полюса элемента; отражающий слой удерживает свет внутри рабочей части элемента, увеличивая его электрическую эффективность; два слоя обогащенного кремния (N-типа и Р-типа) образуют ядро солнечного элемента. Кремний N-типа имеет свободные отрицательные заряды, а кремний Р-типа — несвязанные положительные заряды. При отсутствии освещения эти заряды скапливаются в зоне контакта слоев; когда на элемент падает солнечный свет, заряды расходятся в стороны. Такое перемещение зарядов создает постоянный ток, если солнечный элемент является частью замкнутой цепи. Сверху кремний защищен прозрачной пленкой, на которой размещен металлический контакт положительного полюса.

Как работает солнечный элемент

Солнечный свет, падающий на элемент солнечной батареи, разделяет положительные и отрицательные заряды, которые аккумулируются в зоне контакта между пластинками кремния Р-типа и N-типа. Это разделение создает напряжение, под действием которого при включении элемента в замкнутую цепь в ней начинает течь электрический ток

Секционные солнечные батареи

Солнечные батареи (рисунок над текстом) вырабатывают постоянный ток, который может быть преобразован на электростанции в переменный. Избыточная электроэнергия, выработанная солнечными элементами, может быть запасена в аккумуляторных батареях для последующего использования.

Солнечные батареи в космосе

Для большинства космических спутников солнечные батареи являются основным источником энергии. Эти батареи (рисунок справа) отличаются от тех, что используются на Земле (рисунок слева). Если батареи, установленные вблизи земной поверхности, нуждаются в защите от дождя и пыли, то те, что функционируют в космосе, должны быть защищены от жесткого космического излучения.

Солнечная теплоэлектростанция

Солнечный свет может снабжать теплотой паротурбинную установку, приводящую во вращение генератор. Комплект зеркал фокусирует солнечный свет на башню-концентратор. Результирующий световой пучок настолько интенсивен, что может превращать натрий в пар. Пары натрия используются для превращения воды в пар, который затем приводит во вращение турбину.

Как работают солнечные панели? Объяснение науки о Солнце.

Все мы знаем, что солнечные фотоэлектрические (PV) панели преобразуют солнечный свет в полезное электричество, но мало кто знает настоящую науку, лежащую в основе этого процесса. На этой неделе в блоге мы поговорим о мельчайших подробностях науки о солнечной энергии. Это может показаться сложным, но все сводится к фотоэлектрическому эффекту; способность материи испускать электроны, когда купается в свете.

Прежде чем мы перейдем к молекулярному уровню, давайте кратко рассмотрим базовый процесс производства электроэнергии:

Основные этапы производства и передачи солнечной энергии

1. Солнечный свет попадает на солнечные панели и создает электрическое поле.
2. Произведенное электричество течет к краю панели и попадает в проводящий провод.
3. Токопроводящий провод подводит электричество к инвертору, где оно преобразуется из электричества постоянного тока в переменный ток, который используется для питания зданий.
4. Другой провод передает электроэнергию переменного тока от инвертора к электрической панели на территории (также называемой блоком выключателя), которая распределяет электричество по всему зданию по мере необходимости.
5. Любая электроэнергия, которая не требуется при генерации, проходит через счетчик в коммунальную электрическую сеть.Когда электричество проходит через счетчик, он заставляет счетчик работать в обратном направлении, кредитуя вашу собственность за избыточную выработку.

Теперь, когда у нас есть базовое представление о производстве и потоке солнечной электроэнергии, давайте глубже погрузимся в науку, лежащую в основе солнечных фотоэлектрических панелей.

Наука о солнечных фотоэлементах

Солнечные фотоэлектрические панели состоят из множества небольших фотоэлектрических элементов — это означает, что они могут преобразовывать солнечный свет в электричество. Эти элементы сделаны из полупроводниковых материалов, чаще всего из кремния, материала, который может проводить электричество, сохраняя при этом электрический дисбаланс, необходимый для создания электрического поля.

Когда солнечный свет попадает на полупроводник в фотоэлементе (шаг 1 в нашем высокоуровневом обзоре), энергия света в форме фотонов поглощается, выбивая ряд электронов, которые затем свободно дрейфуют в элементе. Солнечный элемент специально разработан с положительно и отрицательно заряженными полупроводниками, зажатыми вместе, чтобы создать электрическое поле (см. Изображение слева для визуализации). Это электрическое поле заставляет дрейфующие электроны течь в определенном направлении — к проводящим металлическим пластинам, выстилающим ячейку.Этот поток известен как энергетический ток, и сила тока определяет, сколько электроэнергии может произвести каждая ячейка. Как только свободные электроны попадают в металлические пластины, ток направляется в провода, позволяя электронам течь, как в любом другом источнике генерации электричества (шаг 2 в нашем процессе).

Поскольку солнечная панель генерирует электрический ток, энергия течет по проводам к инвертору (см. Шаг 3 выше). В то время как солнечные панели вырабатывают электричество постоянного тока (DC), большинству потребителей электроэнергии требуется электричество переменного тока (AC) для питания своих зданий.Функция инвертора состоит в том, чтобы переключать электричество с постоянного тока на переменный, делая его доступным для повседневного использования.

После преобразования электричества в состояние, пригодное для использования (мощность переменного тока), оно отправляется от инвертора на электрическую панель (также называемую коробкой выключателя) [шаг 4] и распределяется по всему зданию по мере необходимости. Электричество теперь доступно для питания фонарей, бытовых приборов и других электрических устройств с помощью солнечной энергии.

Любая электроэнергия, которая не потребляется через блок выключателя, направляется в коммунальную сеть через счетчик коммунальных услуг (наш последний шаг, как описано выше).Счетчик коммунальных услуг измеряет поток электроэнергии из сети в вашу собственность и наоборот. Когда ваша солнечная энергетическая система производит больше электроэнергии, чем вы потребляете на месте, этот счетчик фактически работает в обратном направлении, и вам засчитывают избыток электроэнергии, произведенной в процессе чистого измерения. Когда вы потребляете больше электроэнергии, чем генерирует ваша солнечная батарея, вы получаете дополнительную электроэнергию из сети через этот счетчик, заставляя ее работать нормально. Если вы не полностью отключились от сети через решение для хранения, вам нужно будет вытаскивать часть энергии из сети, особенно ночью, когда ваша солнечная батарея не производит.Однако большая часть этой сетевой энергии будет компенсирована за счет избыточной солнечной энергии, которую вы производите в течение дня и в периоды меньшего использования.

Хотя детали, лежащие в основе солнечной энергии, носят сугубо научный характер, не требуется ученого, чтобы рассказать о преимуществах, которые солнечная установка может принести бизнесу или владельцу недвижимости. Опытный разработчик солнечной энергии расскажет вам об этих преимуществах и поможет понять, подходит ли солнечное решение для вашего бизнеса.

Solar 101: Как работает солнечная энергия (шаг за шагом)

Вы когда-нибудь смотрели на солнечные панели на крышах и задавались вопросом, что именно они делают и как? Что ж, эти высокотехнологичные пространства мерцающего стекла на самом деле являются всего лишь одним компонентом в сложной сети, которая использует возобновляемую энергию солнца для доставки электричества в дом.

Давайте посмотрим, как работает солнечная энергия, шаг за шагом.

Как солнечные панели производят электричество?

ШАГ 1: Панели активируются солнечным светом.

Солнечная система стоечно-панельная

Каждая отдельная панель состоит из слоя кремниевых ячеек, металлического каркаса, стеклянного корпуса, окруженного специальной пленкой, и проводки. Для максимального эффекта панели группируются в «массивы» (упорядоченная серия) и размещаются на крышах домов или в больших открытых пространствах.Солнечные элементы, также называемые фотоэлектрическими элементами , поглощают солнечный свет в дневное время.

ШАГ 2: Ячейки вырабатывают электрический ток.

Кремниевый слиток и пластина

Внутри каждого солнечного элемента находится тонкая полупроводниковая пластина, сделанная из двух слоев кремния. Один слой заряжен положительно, а другой — отрицательно, образуя электрическое поле. Когда световая энергия солнца попадает на фотоэлектрический солнечный элемент, он возбуждает этот элемент и заставляет электроны «отделяться» от атомов внутри полупроводниковой пластины.Эти свободные электроны приводятся в движение электрическим полем, окружающим пластину, и это движение создает электрический ток.

ШАГ 3: Преобразуется электрическая энергия.

Солнечный инвертор. Изображение предоставлено SMA Solar Technology AG

Теперь у вас есть солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество, но вырабатываемое электричество называется электричеством постоянного (или постоянного) тока, а это не тот тип электричества, который питает большинство домов, а именно электричество переменного тока (или переменного тока).К счастью, электричество постоянного тока можно легко превратить в электричество переменного тока с помощью устройства, называемого инвертором. В современных солнечных системах эти инверторы могут быть сконфигурированы как один инвертор для всей системы или как отдельные микроинверторы, прикрепленные за панелями.

ШАГ 4: Преобразованная электроэнергия питает ваш дом.

Солнечный микроинвертор

После того, как солнечная энергия преобразована из постоянного тока в переменный, она проходит через вашу электрическую панель и распределяется по дому для питания ваших приборов.Он работает точно так же, как электроэнергия, вырабатываемая через сеть вашей электроэнергетической компанией, поэтому ничего в доме не нужно менять. Поскольку вы по-прежнему подключены к своей традиционной энергетической компании, вы можете автоматически потреблять дополнительную электроэнергию, чтобы восполнить любую нехватку солнечной энергии из сети.

ШАГ 5: Счетчик нетто измеряет использование.

Умный электросчетчик

В пасмурные дни и ночью ваша солнечная черепица или панели могут не улавливать достаточно солнечного света для использования в качестве источника энергии; и наоборот, в середине дня, когда никого нет дома, они могут собирать излишки энергии — больше, чем вам нужно для работы в доме. Вот почему счетчик используется для измерения электроэнергии, протекающей в обоих направлениях — в ваш дом и из него. Ваша коммунальная компания часто предоставляет кредиты за любую избыточную мощность, которую вы отправляете обратно в сеть. Это известно как чистое измерение .

Заключение

Теперь, когда вы знаете основы солнечной энергии, вы можете поразиться тому, как современные фотоэлектрические технологии могут улавливать огромную энергию солнца для управления домом. Может, это и не ракетостроение, но это определенно проявление человеческой изобретательности в лучшем виде.

Заинтересованы в солнечной кровле для вашего дома? Изучите наши солнечные продукты или найдите сертифицированного установщика солнечных батарей в вашем регионе.

Как работают солнечные панели?

Шаг 5. Солнечная электроэнергия измеряется счетчиком нетто

В этой последней части вам нужно знать, что такое соглашение об измерении нетто. Чистое измерение — это когда ваша местная коммунальная компания соглашается предоставить энергетические кредиты для любой излишков солнечной энергии, которую вы производите, и отправить ее обратно в электросеть.В некоторых случаях эти кредиты на электроэнергию могут продлеваться, поэтому вы накапливаете их в долгосрочной перспективе, а некоторые коммунальные предприятия даже снимут с вас чек на кредиты на производство электроэнергии.

Сетевой счетчик устанавливается в доме и измеряет электричество, поступающее в сеть и из нее. Этот счетчик похож на электрический счетчик, который у вас, вероятно, есть сейчас, но он измеряет мощность, идущую в двух направлениях, а не только в одном. Остались вопросы? Узнайте больше о чистых счетчиках здесь.

Примечание о чистых счетчиках

Важно отметить, что если у вас есть совместное соглашение PPA, в котором вы платите за солнечную энергию, производимую вашими панелями, вы, скорее всего, будете платить больше за солнечную энергию летом. Это кажется обратным, верно? Поясним: лето означает больше солнечного света, что также означает больше солнечной энергии. НО хорошая новость заключается в том, что вы меньше полагаетесь на традиционную электроэнергию, это должно помочь компенсировать ваши общие затраты на использование.

Теперь добавьте стоимость начисляемых чистых счетчиков, и, хотя сначала это может показаться медленным, в конечном итоге это сэкономит вам деньги в долгосрочной перспективе. Дайте ему около двенадцати месяцев после того, как вы установили свою солнечную энергетическую систему, чтобы увидеть, как процесс чистых измерений начинает работать в вашу пользу.Откуда пришла идея солнечной энергии?

Из того, что мы записали как народ, мы знаем, что человечество использовало солнечную энергию еще в 7 веке до нашей эры. От сосредоточения солнечной энергии на стекле, чтобы разжечь огонь, до направления солнечного света через зеркала для освещения комнаты, человек всегда был очень тесно связан с устрашающей силой солнца. Тем не менее, идея использования солнечной энергии с помощью фотоэлементов действительно появилась в 1839–1883 ​​годах благодаря изобретательности следующих пяти человек:

• 1839: Эдмон Беккерель В 1839 году французский физик Эдмон Беккерель обнаружил влияние фотовольтаики, экспериментируя с ячейкой, сделанной из металлических электродов, и отметил, что ячейка вырабатывает больше электричества, когда на нее воздействует свет.

• 1873: Уиллоуби Смит В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен может действовать как фотопроводник.

• 1876: Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй В 1876 году Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй применили к селену фотоэлектрический принцип, открытый Беккерелем, и зафиксировали, что он, на самом деле, может генерировать электричество при воздействии света.

• 1876: Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй В 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриц создал первый работающий селеновый солнечный элемент.

Почему солнечная энергия считается «возобновляемой» и что это означает?

Помните, как мы говорили о солнце как о главном источнике возобновляемой энергии, потому что оно (надеюсь) никогда не закончится? Когда мы говорим о возобновляемых источниках энергии с точки зрения солнечной энергии, мы говорим о том, что является устойчивым, простым в использовании, требует минимального обслуживания и будет работать в течение длительного периода времени. Это солнце. Солнце возобновимо, потому что оно буквально обновляется.Это источник энергии, который не иссякнет (опять же, мы надеемся), что означает, что мы можем продолжать использовать удары для выработки энергии для нас без необходимости дозаправки или возобновления ее. Помимо солнца, к другим источникам возобновляемой энергии относятся ветер и гидроэнергетика.

Противоположностью возобновляемым источникам энергии будет ископаемое топливо. Ископаемые виды топлива (газ, нефть, уголь, нефть и т. Д.) Не подлежат возобновлению, потому что они требуют постоянного пополнения запасов, технического обслуживания и являются ограниченными ресурсами, которые со временем закончатся. Они также ужасно вредны для окружающей среды из-за количества выделяемых ими углеродных выбросов, которые загрязняют воздух, растения и эту прекрасную землю, на которой мы живем.

Как солнечная энергия может потенциально сэкономить мне деньги?

Теперь мы подошли к большому вопросу. Сколько солнечной энергии можно сэкономить? И простой ответ — это зависит от вас и ваших потребностей в энергии. Сумма экономии, которую вы получаете от солнечной энергии, зависит от множества различных факторов, включая: размер вашего дома, количество людей, живущих в вашем доме, количество электроэнергии, которую вы потребляете как домашнее хозяйство каждый месяц, размер ваша солнечная энергетическая система, степень воздействия прямых солнечных лучей на вашу солнечную энергетическую систему, стимулы, доступные в вашем районе, тип солнечного соглашения, которое вы подписываете, и требования вашего местного округа / коммунальной компании могут повлиять на то, насколько ваша солнечная энергия потенциально может спасти вас.

Хорошая новость в том, что мы можем помочь. С вашего разрешения наши специалисты по солнечной энергии осмотрят ваш дом и сделают замеры вашей крыши, ее наклона, чердака (если он у вас есть) размером с ваш дом и множества других вещей, которые помогут им определить, подходит ли ваш дом. хорошо подходит для солнечных батарей. Они также расскажут вам о различных планах солнечной энергии, которые мы предлагаем, и помогут определить тип доступного вам плана, который будет соответствовать вашим потребностям, и план, доступный для вас в зависимости от вашего региона.Наши планы варьируются от соглашения о солнечной наличности, где вы покупаете солнечные панели напрямую, до соглашения о ссуде на солнечную батарею, где вы можете взять ссуду для их оплаты. Вы также можете заплатить за электроэнергию, производимую вашей системой, с помощью Solar PPA или сдать оборудование в аренду через Solar Lease.

Каждый из этих вариантов финансирования может помочь вам сэкономить деньги по-разному, при этом помогая использовать энергию солнца с помощью возобновляемых источников солнечной энергии.

Что еще я должен знать, когда речь идет о солнечной энергии?

Прелесть солнечной энергетической системы состоит в том, что она дружит с другими сверхсовместимыми приложениями.Солнечная батарея и зарядное устройство EV — это два перспективных продукта, которые прекрасно сочетаются с системой солнечной энергии и могут действительно повлиять на качество вашей жизни.

Поскольку ваша солнечная энергетическая система работает на вас, она может отправлять излишки энергии обратно в сеть, что потенциально может сэкономить вам на счетах за коммунальные услуги. Но он также может хранить часть этой избыточной энергии в солнечной батарее. Благодаря солнечной батарее ваша система save сберегает избыточную солнечную энергию от ваших панелей и использует ее для питания вашего дома, когда она вам больше всего нужна — например, во время отключения электричества или когда садится солнце.

Зарядное устройство для электромобилей, хотя оно не подключено к вашей солнечной энергетической системе, по-прежнему невероятно полезно для тех, кто хочет быстро зарядить свой электромобиль. Подумайте об этом так: стандартная розетка (традиционное 110 В) должна легко заряжать вашу бытовую технику. Но когда дело доходит до вашего электромобиля, вам нужна более сильная и мощная розетка, чтобы действительно произвести впечатление. С установленным зарядным устройством Vivint Solar для электромобилей вы можете заряжать в шесть раз быстрее, чем стандартная домашняя розетка, а также составлять напоминания о расписании, время зарядки и отслеживать потребление энергии с помощью смартфона.

Это лишь две из многих инноваций, которые улучшают способы использования технологий умного дома как сейчас, так и в будущем.

Вот как работает солнечная энергия

Заинтересованы в использовании солнечной энергии? Vivint Solar может помочь вам проработать детали. Начните свое солнечное путешествие с бесплатной солнечной цитатой от Vivint Solar.

Сноски: 1. https://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=solar_home

Как работают солнечные панели?

Солнечная энергия имеет решающее значение для нашего выживания как вида, и, к счастью, эта отрасль процветает. С тех пор, как Конгресс принял налоговую льготу в 2006 году, Ассоциация индустрии солнечной энергии (SEIA) заявляет, что за последнее десятилетие солнечная промышленность в среднем росла на 50 процентов. В большинстве областей это будут макро-новости. Но у солнечной энергии есть миссия, выходящая за рамки зарабатывания денег — она ​​должна спасти планету.

Нет никакого плана по предотвращению антропогенного глобального потепления от необратимого искажения климата Земли без солнечных панелей и энергии, которую они могут преобразовать. «Роль возобновляемых источников энергии в смягчении последствий изменения климата доказана», — заявляет Программа развития Организации Объединенных Наций.Некоторые представители отрасли считают, что к 2050 году отрасль солнечной энергетики вырастет на 6500%, чтобы удовлетворить эту потребность.

☀️Вы любите солнечную. И мы тоже. Давайте вместе поработаем над этим.

Но, несмотря на всю свою важность, солнечные панели по-прежнему кажутся загадочными. Жесткие и слегка угрожающие черные прямоугольники, они не выглядят и не похожи на спасителей. Величественные водопады и плотины выглядят героически, а вот солнечные батареи — нет. Итак, каковы их внутренние механизмы, как они работают?

Краткая история солнечных панелей

Цифровая библиотека Gallica

Работа в области солнечной энергии началась в 1839 году, когда молодой французский физик Эдмон Беккерель открыл то, что сейчас известно как фотоэлектрический эффект.Беккерель работал в семейном бизнесе — его отец, Антуан, был известным французским ученым, который все больше интересовался электричеством, — когда он сделал свое открытие.

Эдмонда интересовало, как работает свет, и когда ему было всего 19 лет, их интересы совпали — он обнаружил, что электричество можно производить с помощью солнечного света. (Кстати, это также привело его к созданию первой в мире цветной фотографии).

Шли годы, и технология делала маленькие, устойчивые шаги. В 1940-х годах такие ученые, как Мария Телкес, экспериментировали с использованием сульфатов натрия для хранения энергии солнца, чтобы создать Dover Sun House. При исследовании полупроводников инженер Рассел Шумейкер Окс исследовал образец кремния с трещиной и заметил, что он проводит электричество, несмотря на трещину.

Но самый большой скачок произошел 25 апреля 1954 года, когда химик Кэлвин Фуллер, физик Джеральд Пирсон и инженер Дэрил Чапин показали, что они построили первый практический кремниевый солнечный элемент.

Этот контент импортирован из {embed-name}. Вы можете найти то же содержимое в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Как и Охс, трио работало в Bell Labs и раньше принимало на себя задачу создания такого баланса. Чапин пытался создать источники питания для удаленных телефонов в пустынях, где разрядились бы обычные батареи. Пирсон и Фуллер работали над контролем свойств полупроводников, которые позже будут использоваться для питания компьютеров. Зная о работе друг друга, все трое решили сотрудничать.

Кальвин С. Фуллер, на снимке диффузии бора в кремний.

Архивы AT&T

Через год после создания первого работающего солнечного элемента Bell Labs нашла практическое применение этой технологии. Здесь мастер по ремонту кабелей в Джорджии устанавливает панели для первого в истории телефонного разговора на солнечной энергии 4 октября 1955 года.

Bell Labs

Эти самые ранние солнечные элементы были «в основном собранными вручную устройствами», — говорит Роберт Марголис, старший энергетический аналитик Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), федеральной лаборатории в Голдене, штат Колорадо, посвященной возобновляемым источникам энергии.

Как работают солнечные панели?

Чтобы понять, как кремниевые солнечные панели производят электричество, вы должны думать на атомном уровне. Кремний имеет атомный номер 14, что означает, что в его центре 14 протонов и 14 электронов вращаются вокруг этого центра. Используя классические изображения атомных кругов, вокруг центра движутся три круга. Самый внутренний круг заполнен двумя электронами, а средний круг — восемью.

Однако крайний круг, содержащий четыре электрона, наполовину заполнен.Это означает, что он всегда будет стремиться заполниться с помощью ближайших атомов. Когда они соединяются, они образуют так называемую кристаллическую структуру.

Бен Миллс

Со всеми этими электронами, тянущимися и соединяющимися друг с другом, у электрического тока не так много места для движения. Вот почему кремний, содержащийся в солнечных батареях, нечистый, смешанный с другим элементом, например фосфором. Внешний круг из фосфора имеет пять электронов.

Этот пятый электрон становится так называемым «свободным носителем», способным переносить электрический ток без особых усилий. Ученые увеличивают количество свободных носителей, добавляя примеси в процессе, называемом легированием. В результате получился кремний N-типа.

Обзоры чистой энергии

Кремний N-типа — это то, что находится на поверхности солнечной панели. Ниже находится его зеркальная противоположность — кремний P-типа. В то время как кремний N-типа имеет один дополнительный электрон, P-тип использует примеси из таких элементов, как галлий или бор, которые имеют на один электрон меньше.Это создает еще один дисбаланс, и когда солнечный свет попадает на P-тип, электроны начинают двигаться, заполняя пустоты друг в друге. Балансировка, которая повторяется снова и снова, генерируя электричество.

Из чего состоит солнечная панель?

Pramote ПолиаматGetty Images

Солнечные элементы сделаны из кремниевых пластин. Они сделаны из элемента кремния, твердого и хрупкого кристаллического вещества, которое является вторым по распространенности элементом в земной коре после кислорода.Если вы находитесь на пляже и видите блестящие черные точки на песке, это кремний. Как обнаружил Охс, он естественным образом преобразует солнечный свет в электричество.

Кремний, как и другие кристаллы, можно выращивать. Ученые, как и сотрудники Bell Labs, выращивают кремний в трубке как единый однородный кристалл, разворачивая трубку и разрезают полученный лист на так называемые пластины.

«Визуализируйте круглую палку», — говорит Викрам Аггарвал, основатель и генеральный директор EnergySage, торговой площадки для сравнения солнечных панелей.Эта палочка нарезается как «пепперони, тонко нарезанный рулет салями для бутербродов — они очень тонко бреют их», — говорит он. Вот где исторически было очень сложно — либо слишком толстые, либо отходы, либо слишком тонкие, что делало их неточными и склонными к растрескиванию ».

Резервная копия Vanguard 1, первого в истории спутника, использующего солнечную энергию. Резервная копия покоится в Смитсоновском музее авиации и космонавтики.

Смитсоновский музей авиации и космонавтики.

Они стараются сделать эти вафли как можно более тонкими, чтобы получить как можно больше пользы от своего кристалла.Этот тип солнечных элементов изготовлен из монокристаллического кремния.

Хотя первые солнечные элементы внешне напоминают сегодняшние, есть ряд отличий. По словам Марголиса, в Bell Labs первоначальная надежда заключалась в том, что солнечные элементы подойдут для грядущей космической гонки, поэтому было важно снизить вес. Фотоэлементы, как их стали называть, были помещены в легкий корпус.

И это сработало. Всего через четыре года после разработки первого работающего солнечного элемента, 17 марта 1958 года, Лаборатория военно-морских исследований построила и запустила первый в мире спутник на солнечной энергии.

Панели солнечных батарей сегодня

Производство фотоэлементов на заводе First Solar в Питтсбурге, штат Пенсильвания.

Первая солнечная

В настоящее время фотоэлектрические элементы производятся серийно и режутся лазером с большей точностью, чем мог представить любой ученый из Bell Labs. Хотя они используются в космосе, они нашли гораздо больше цели и ценности на Земле. Поэтому вместо того, чтобы делать упор на вес, производители солнечных батарей теперь делают упор на прочность и долговечность.Прощай, легкий инкапсулятор, привет, стекло, выдерживающее непогоду.

Один из основных приоритетов любого производителя солнечных батарей — это эффективность: сколько солнечного света, попадающего на каждый квадратный метр солнечной панели, можно преобразовать в электричество. По словам Аггарвала, это «основная математическая проблема», которая лежит в основе всего производства солнечной энергии. Здесь эффективность означает, сколько солнечного света можно правильно преобразовать с помощью кремния P- и N-типа.

Рабочие в Калифорнии устанавливают солнечные батареи на крыше.Эффективность имеет решающее значение для получения от них максимальной мощности.

Джо Сохм / Видения Америки / Universal Images Group Getty Images

«Допустим, у вас есть 100 квадратных футов на крыше», — гипотетически говорит Аггарвал. «В этом ограниченном пространстве, если эффективность панелей составляет 10 процентов, то это менее 20 процентов. Эффективность означает, сколько электронов они могут произвести на квадратный дюйм кремниевых пластин. Чем они эффективнее, тем большую экономию они могут принести».

Примерно десять лет назад, по словам Марголиса, эффективность использования солнечной энергии колебалась около 13 процентов.В 2019 году эффективность использования солнечной энергии выросла до 20 процентов. Есть явная тенденция к росту, но она говорит о том, что у Марголиса есть предел с кремнием. Из-за природы кремния как элемента верхний предел солнечных панелей составляет 29 процентов.

---

Лучшие солнечные панели

Лучший выбор

Монокристаллическая солнечная панель мощностью 160 Вт

Если вы не совсем уверены, с чего начать, эта солнечная панель — надежный вариант. Он относительно недорогой (солнечные панели могут быть дорогими , быстро ), и он работает. Он изготовлен из ПЭТ, ЭВА и монокристаллического кремния, обладает антибликовым покрытием и высокой прозрачностью. Он также прост в использовании и имеет компактный размер, поэтому его легко хранить, когда он не нужен.

Лучшее при слабом освещении

Монокристаллическая складная солнечная панель DOKIO

Если вы живете в местах с плохим освещением, вы можете беспокоиться, что солнечные батареи не для вас, но они действительно отлично работают в условиях низкой освещенности.Фотоэлектрическая панель с высокой эффективностью преобразования 100 Вт может заряжать аккумуляторы 12/24 В и поставляется в комплекте с портативным складным чемоданом. Его легко взять с собой в дорогу, если вы путешествуете по палатке, и легко хранить, если вы используете его дома, на случай отключения электроэнергии.

Лучшая трата

Монокристаллическая солнечная панель Renogy мощностью 300 Вт

Если вы действительно хотите сделать все возможное, вы не ошибетесь с 10-элементными 300-ваттными солнечными панелями Renology. Они способны выдерживать сильный ветер и снеговые нагрузки, обладают антибликовым покрытием и чрезвычайно универсальны. Они идеально подходят для жилых или коммерческих крыш, но они также совместимы с наземным креплением.

Лучшее для начинающих

Renogy, стартовый комплект для монокристаллической солнечной батареи мощностью 100 Вт, 12 вольт

Любой новичок в солнечных батареях должен начать с хорошего комплекта, такого как этот от Renology. Вы получите все необходимое в одном устройстве, включая солнечную панель мощностью 100 Вт, контроллер отрицательного заземления с ШИМ 30 А, разъемы MC4, кабель для лотка 8 футов 10 AWG и монтажные Z-образные кронштейны для дома на колесах или лодки.Он может полностью зарядить батарею на 50 Ач с 50% за 3 часа.

---

Несмотря на эти достижения, есть некоторые внешние силы, которые временно сдерживают рост производства солнечных панелей. До начала пандемии COVID-19 в начале этого года солнечные панели на крышах составляли около 40 процентов от общего мирового рынка. Но из-за личного финансового бремени, которое ложится на потребителей, многие из которых не имеют работы и не могут получить своевременный доступ к пособиям по безработице, аналитики прогнозируют, что солнечная промышленность будет постоянно расти в течение 2020 года, согласно исследованию Вуд Маккензи фирма.

Итак, что же нам дальше?

Солнечное будущее

Профессор Чарльз Чи Сурья из Политехнического университета Гонконга позирует с тандемным солнечным элементом из перовскита и кремния, который имеет одни из самых высоких в мире показателей эффективности.

К. Я. Ченг / South China Morning Post через Getty Images, Getty Images

Некоторые ученые работают над использованием новых материалов. Есть минерал, известный как перовскит, который Аггарвал описывает как «очень интересный».«Впервые обнаруженный на Урале на западе России, перовскит вызвал удивление при испытаниях — с 10 процентов эффективности в 2012 году до 20 процентов в 2014 году. Его можно получить искусственно из обычных промышленных металлов, что упрощает поиск, и для этого используется более простой процесс, чем балансирующий танец кремния типа P и N для проведения электричества.

Но и Аггарвал, и Марголис предупреждают, что эта технология все еще находится на начальной стадии. «Эффективность лаборатории быстро выросла, но есть разница между лаборатория и реальный мир », — говорит Марголис.В то время как перовскит показал большой прогресс в чистой окружающей среде, он быстро снижается при введении таких элементов, как вода, с которыми он может столкнуться при повседневном использовании.

Марголис и его команда работают не над новыми материалами, а над концепцией, которую он называет «солнечный плюс». По его словам, по мере увеличения использования солнечной энергии есть потенциал для улучшения того, как «солнечная энергия взаимодействует с другими зданиями в целом».

Представьте, что в городе очень жаркое лето. Вы идете в офис по работе, а вечером возвращаетесь домой. Здесь жарко и влажно, поэтому вы включаете кондиционер, как и все жители города. Электрическая сеть становится напряженной.

Но Марголис считает, что можно хранить и использовать солнечную энергию, чтобы уменьшить напряжение. «За два часа до того, как вы вернетесь домой, когда солнце еще светит, кондиционер может заранее запустить и охладить ваш дом». То же самое происходит в холодную зиму, когда трубы могут замерзнуть. «Вы можете сильно нагреть воду в жаркий день и по-прежнему использовать эту горячую воду для мытья посуды или принятия душа на следующее утро… мы только начинаем думать о том, как интегрировать солнечную энергию в нашу систему ».

Несмотря на борьбу за доминирование солнечной энергии, например, конкуренцию со стороны природного газа и политический климат, благоприятствующий ископаемым видам топлива, Марголис настроен оптимистично.

« Мы » На этом этапе коммунальные предприятия и инженеры понимают, что солнечная энергия становится достаточно большой, и мы должны с ней справиться, — говорит он. — Это забавные задачи ».

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Как точно работают солнечные фотоэлектрические панели?

Солнечные фотоэлектрические панели сегодня стали обычным явлением. В настоящее время ими покрыты многие крыши по всему миру.

Но как они на самом деле работают? Давай выясним.

СВЯЗАННЫЕ С: ЗА И ПРОТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Как работают солнечные панели, шаг за шагом

В двух словах, солнечные фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет в электричество.Как вы понимаете, для этого требуется несколько шагов.

Первым этапом всего цикла является генерация света. Наше Солнце, звезда G2V (второй по величине желтый G-класс на главной последовательности) и звезда третьего поколения, представляет собой гигантский термоядерный реактор.

Поскольку он объединяет атомы вместе под огромным давлением и температурой в своем ядре, одним из побочных продуктов этого процесса, помимо огромного количества тепла (около 15 миллионов градусов Цельсия ), является обильное количество света.

Этот свет распространяется от места ядерного синтеза до поверхности Солнца, иногда на это уходят сотни тысяч лет.

Достигнув поверхности Солнца, свет рассеивается в пространстве вокруг него. Свет, как все мы знаем, состоит из крошечных пакетов или квантов, называемых фотонами.

Эти фотоны путешествуют по пустоте космоса во всех направлениях, и очень небольшое их количество достигает Земли. Чтобы преодолеть 93 миллиона миль между нами и Солнцем, требуется , со скоростью света около 8.5 минут .

Каждый час бесчисленное количество фотонов излучает нашу Землю, предлагая огромное количество энергии для жизни. Было подсчитано, что если человечество сможет использовать подавляющее большинство из них, этого должно быть достаточно для удовлетворения глобальных потребностей в энергии в течение целого года.

Но для этого нам нужна какая-то технология. Одним из наших основных решений была разработка фотоэлементов.

В этой технологии используются полупроводники, обычно кремний, для улавливания и преобразования этих фотонов в электрический ток.Полупроводники — это материалы, которые в данных условиях действуют как электрические проводники и изоляторы.

Когда фотоны от Солнца возрастом несколько сотен тысяч лет попадают в солнечный элемент, они выбивают электроны из атомов полупроводника.

Чтобы эти электроны были нам полезны, их нужно собирать или собирать где-нибудь для генерации электрического тока. Для этого необходим электрический дисбаланс в фотоэлементе.

Это можно сравнить с наклоном, по которому электроны могут течь в одном направлении. Фотоэлектрические панели обычно состоят из двух слоев полупроводников.

Для этого ПК-панели состоят из нескольких слоев полупроводников, соединенных между собой. Каждый полупроводниковый слой «легирован» каким-либо другим материалом, чтобы сделать их либо положительно, либо отрицательно заряженными.

Источник: AGL Solar Energy / Wikimedia Commons

Фосфор обычно является предпочтительным «легирующим» агентом для верхнего слоя, чтобы придать ему отрицательный заряд, он же кремний n-типа . Бор обычно используется для нижней части положительно заряженного слоя, он же кремний p-типа .

Эта установка настраивает ячейку для создания электрической цепи после высвобождения электронов. Но для сбора и превращения этих электронов в полезную энергию необходимы некоторые другие компоненты.

«Металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на провода. В этот момент электроны могут течь, как любой другой источник электричества. «- livescience.com.

По мере того, как все больше и больше из них проходят через цепь, вырабатывается электричество постоянного тока, которое можно использовать для полезной работы. Но сначала необходимо преобразовать постоянный ток в переменный (AC) для использования. в большинстве электрических устройств в вашем доме.

Источник: DmitriMaruta / iStock

Для этого постоянный ток пропускается в устройство, называемое солнечным инвертором. Они не только генерируют переменный ток, но и обеспечивают защиту панели от замыкания на землю. массив.

Находясь в форме переменного тока, электрический ток может использоваться для питания множества электрических устройств в вашем доме. Или, в качестве альтернативы, он может быть отправлен в национальную сеть — обычно с привлечением некоторой формы вознаграждения.

Каждая солнечная панель состоит из нескольких таких фотоэлементов, а фотоэлектрические установки обычно состоят из нескольких панелей, образующих фотоэлектрическую батарею.

Чем больше фотоэлектрических панелей, тем больше массив и тем больше возможна генерация электроэнергии.

У солнечных панелей заканчиваются электроны?

Проще говоря, нет, это невозможно.Это связано с тем, что фотоэлектрические панели работают, высвобождая электроны из «легированных» полупроводниковых материалов внутри ячейки, которые образуют цепь, а затем возвращаются в полупроводники внутри панели.

То же верно для любой электрической цепи. Здесь электроны текут в виде электрического тока по замкнутому контуру.

«Цепи не создают, не разрушают, не расходуют и не теряют электроны. Они просто переносят электроны по кругу». — wtamu.edu.

Все устройство под воздействием солнечного света создает электрическую цепь, которая течет в одном направлении через фотоэлектрическое устройство и его вспомогательные компоненты.

Источник: alexsi / iStock

«Электроны в передней части ячейки собираются сверхтонкими линиями сетки, нанесенными на лицевую поверхность ячейки. Они перетекают в более толстые шины (металлические полоски или шины, используемые для распределения электроэнергии ), как отдельные автомобили на жилых улицах, все въезжающие на автостраду, за исключением того, что все они движутся со скоростью, близкой к скорости света!

Затем электрический ток течет в цепь, где он передает свой потенциал напряжения в виде электрической энергии.Затем истощенные электроны продолжают течь в электрической цепи до тех пор, пока не вернутся обратно в заднюю часть солнечного элемента, где они рекомбинируют с отверстиями, которые они изначально оставили. «- interplaylearning.com.

По этой причине, элементы никогда» иссякают «электроны. Они всегда текут вокруг созданного контура внутри фотоэлемента.

Потенциал напряжения создается фотонами от солнца, которые отдают часть своей энергии в нагрузке контура.Затем он снова течет обратно в солнечный элемент, и процесс повторяется снова и снова — — конечно, пока есть солнечный свет.

Как работают портативные солнечные панели?

Портативные солнечные панели, как следует из названия, представляют собой фотоэлектрические панели, которые можно транспортировать и использовать в качестве мобильных. Они отличаются от более традиционных фотоэлектрических панелей, которые по сравнению с ними тяжелы и громоздки и, как правило, используются в статической или фиксированной установке.

Их основная функция в основном такая же, как у больших коммерческих и домашних массивов.Портативные фотоэлектрические массивы обычно более компактны и намного меньше по размеру.

Они также могут иметь дополнительные функции, такие как складная конструкция или подставка, а их общий эстетический вид будет сильно различаться.

Они, как правило, обладают меньшей мощностью выработки электроэнергии, чем большие фотоэлектрические массивы, и специально предназначены для использования в кемпингах или поездках на жилые дома. Типичные фотоэлектрические батареи в жилых домах могут вырабатывать около 30 кВт · ч электроэнергии в день.

Портативные, с другой стороны, обычно способны генерировать от 5 до 10% от этой суммы. Но поскольку у вас должно быть меньше электрических устройств, если вам не нравится таскать с собой 40-дюймовый телевизор и Playstation 4, этого должно быть более чем достаточно.

Как работают солнечные элементы?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 15 августа 2020 г.

Почему мы тратим время на бурение в поисках нефти и разгребать уголь, когда в небе над нами стоит гигантская электростанция, 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. У вас могут быть кварцевые часы на солнечной энергии на запястье или карманный калькулятор на солнечных батареях. У многих людей есть фонари на солнечных батареях в их саду. Космические корабли и спутники обычно 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 Центр летных исследований НАСА Армстронг.

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 Вт) 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 очень много — гораздо больше, чем мы когда-либо могли бы 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, чтобы выжить, но мы не можем использовать ни 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 солнечный 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 синие плиты, 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 ячейки производят электричество из химикатов, ячейки солнечной панели производят мощность, захватывая вместо этого солнечный свет. Их иногда называют фотоэлектрическими (PV). клетки, потому что они используют солнечный свет («фотография» происходит от греческого слова «свет») для производства электричества ( слово «гальванический» — отсылка к итальянскому первопроходцу в области электроэнергетики. 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 фотонов в триллионы фотонов. 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 сегодняшние 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 солнечный элемент, энергия он выносит электроны из кремния. Их можно заставить Обтекайте электрическую цепь и питайте все, что работает электричество. Это довольно упрощенное объяснение! Теперь давайте возьмем присмотреться …

Как изготавливаются солнечные элементы?

Фото: одиночный солнечный элемент.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 себя электричество. очень легко; их называют проводниками. 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 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 больше узнать 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, где 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 бутерброде они отдают свою энергию атомам кремния. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому Oни 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 фотоэлектрической системой — напряжение, создающее свет, — и это один из видов того, что 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 значит солнечный элемент не может производить больше электроэнергии, чем он воспринимает каждую секунду как свет. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразует 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. Некоторых фотонов, падающих 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% эффективность в абсолютно идеальных условиях за счет использования нескольких узлов ловить фотоны разных энергий.

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-процентная эффективность 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, будь они когда-нибудь 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 солнечных элементов

Большинство солнечных элементов, которые вы увидите сегодня на крышах людей, являются 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 один 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 р-типа будет использовать бор в качестве легирующей добавки.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. Примерно так 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 слябов 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, чем клетки второго поколения приобретают гибкость, 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 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 возобновляемых источников 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). подобно клетки второго поколения, они, скорее всего, 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 разных 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 стреляют 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 от 700 до 2500 кВтч на квадратный метр (700–2500 единиц электричество). В более жарких регионах явно 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 захватить только часть этого теоретического энергия.Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество мощность, которую вы можете получить, 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 строк 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?

Фото: Огромный проект по производству солнечной энергии в Аламосе 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 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 единиц солнечной энергии. мощность. Чтобы произвести столько же электроэнергии, сколько здоровенная ветряная турбина (с пиковая выходная мощность может составлять два или три мегаватта), вам нужно около 500–1000 солнечных крыш. И конкурировать 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: микроветровая турбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать батарею, которая поддерживает этот предупреждающий знак о строительстве шоссе днем ​​и ночью. Солнечная панель установлена ​​лицевой стороной 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 сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.Беспокойство о захват земли упускает важный момент, если мы говорим о размещении солнечной панели на отечественные кровли. Экологи утверждают, что Настоящая цель солнечной энергетики не в том, чтобы создавать большие централизованные солнечные электростанции (чтобы можно было продавать мощные электричество бессильным людям с высокой прибылью), но вытеснить грязные, неэффективные, централизованные электростанции, позволяющие людям создают силу в том самом месте, где они ее используют. Это устраняет неэффективность выработки 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 подходит для фотоэлектрических панелей, 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 нужны батареи (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 имеют солнечные батареи поэтому они могут быть развернуты 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, произведенное с помощью солнечных батарей, по-прежнему дороже, чем электричество, произведенное путем сжигания грязи, загрязняющие ископаемые виды топлива.В мире есть огромные инвестиции в ископаемое топливной инфраструктуры и, хотя мощные 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 солнечная и ветровая 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 недавние 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 изменение — 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, меняющие экономику солнечной энергетики.

И одной экономики могло быть достаточно. Темпы 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, когда это возможно достичь чего-то, что называется паритетом сетки , что означает, что Вырабатываемое вами электричество на солнечной энергии становится столь же дешевым 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 могла похвастаться «важнейшее достижение» в 2014 году, когда 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 , всего 8 процентов от общего количества в Великобритании потребность в электроэнергии около 60 ГВт (с учетом таких факторов, как облачность уменьшила бы его до какой-то доли 8 процентов).

По данным Управления энергетической информации США, в США, 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 вижу, 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 Ключевая статистика мировой энергетики энергетического агентства, почти не упоминает солнечную мощность вообще, кроме как в сноске.

Диаграмма

: Солнечная энергия с каждым годом вырабатывает больше нашей электроэнергии, но все еще далеко столько же, сколько угля. На этой диаграмме сравнивается процент электроэнергии, производимой 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 может. 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 шагом вперед по сравнению с тем, где мы находимся сегодня, и гораздо более высокие темпы 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 элементов

• 1839: Французский физик Александр-Эдмон Беккерель (отец пионера радиоактивности Анри Беккереля) обнаружил, 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 копировального аппарата).
• 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 названном «солнечная батарея», 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 обнаруживают, что кристаллы перовскита обладают огромным потенциалом 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 достигнут паритета между сетями (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.

Как работают фотоэлектрические элементы? | Управление научной миссии

Гил Книр

назад к рассказу Science @ NASA «Край солнечного света»

Что такое фотоэлектрическая энергия?

Фотогальваника — это прямое преобразование света в электричество на атомарном уровне. Некоторые материалы обладают свойством, известным как фотоэлектрический эффект, который заставляет их поглощать фотоны света и высвобождать электроны. Когда эти свободные электроны захватываются, возникает электрический ток, который можно использовать как электричество.

Фотоэлектрический эффект впервые был отмечен французским физиком Эдмундом Бекерелем в 1839 году, который обнаружил, что некоторые материалы производят небольшой электрический ток при воздействии света. В 1905 году Альберт Эйнштейн описал природу света и фотоэлектрический эффект, на котором основана фотоэлектрическая технология, за что позже получил Нобелевскую премию по физике. Первый фотоэлектрический модуль был построен Bell Laboratories в 1954 году. Он был объявлен как солнечная батарея и был в основном просто любопытством, так как был слишком дорог для широкого использования.В 1960-х годах космическая промышленность впервые начала серьезно использовать эту технологию для обеспечения питания космических аппаратов. Благодаря космическим программам технология продвинулась, была установлена ​​ее надежность, а стоимость стала снижаться. Во время энергетического кризиса 1970-х годов фотоэлектрические технологии получили признание как источник энергии для не космических приложений.

Схема выше иллюстрирует работу базового фотоэлемента, также называемого солнечным элементом.Солнечные элементы изготавливаются из тех же полупроводниковых материалов, как кремний, используемых в промышленности микроэлектроники. В солнечных элементах тонкая полупроводниковая пластина специально обрабатывается для формирования электрического поля, положительного с одной стороны и отрицательного с другой. Когда световая энергия попадает на солнечный элемент, электроны отрываются от атомов в полупроводниковом материале. Если электрические проводники присоединены к положительной и отрицательной сторонам, образуя электрическую цепь, электроны могут быть захвачены в виде электрического тока, то есть электричества. Затем это электричество можно использовать для питания нагрузки, такой как свет или инструмент.

Ряд солнечных элементов, электрически соединенных друг с другом и установлены в опорной конструкции или рамы, называется фотоэлектрический модуль. Модули предназначены для подачи электроэнергии на определенное напряжение, например в обычную систему на 12 вольт. Производимый ток напрямую зависит от того, сколько света попадает на модуль.

Несколько модулей можно соединить вместе, чтобы сформировать массив.Как правило, чем больше площадь модуля или массива, тем больше электроэнергии будет производиться. Фотоэлектрические модули и массивы вырабатывают электричество постоянного тока (dc). Они могут быть подключены как последовательно, так и параллельно для получения любой требуемой комбинации напряжения и тока.

В наиболее распространенных сегодня фотоэлектрических устройствах для создания электрического поля внутри полупроводника, например фотоэлемента, используется один переход или интерфейс. В однопереходной фотоэлектрической ячейке только фотоны, энергия которых равна ширине запрещенной зоны материала ячейки или превышает ее, могут освободить электрон для электрической цепи.Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходных ячеек ограничен той частью солнечного спектра, энергия которой превышает ширину запрещенной зоны поглощающего материала, и фотоны с более низкой энергией не используются.

Одним из способов обойти это ограничение является использование двух (или более) разных ячеек с более чем одной запрещенной зоной и более чем одним переходом для генерации напряжения. Их называют «многопереходными» ячейками (также называемыми «каскадными» или «тандемными» ячейками). Многопереходные устройства могут обеспечить более высокую общую эффективность преобразования, поскольку они могут преобразовывать большую часть энергетического спектра света в электричество.

Как показано ниже, многопереходное устройство представляет собой стек отдельных ячеек с одним переходом в порядке убывания ширины запрещенной зоны (например). Верхняя ячейка улавливает фотоны с высокой энергией и пропускает остальные фотоны для поглощения ячейками с более низкой запрещенной зоной.

Большая часть сегодняшних исследований многопереходных клеток сосредоточена на арсениде галлия как на одной (или на всех) составляющих клетки. Такие клетки достигли эффективности около 35% при концентрированном солнечном свете. Другими исследованными материалами для многопереходных устройств были аморфный кремний и диселенид индия и меди.

В качестве примера в многопереходном устройстве ниже используется верхняя ячейка из фосфида галлия-индия, «туннельный переход», чтобы способствовать потоку электронов между ячейками, и нижняя ячейка из арсенида галлия.

Â

назад к рассказу Science @ NASA «Край солнечного света»

---

Присоединяйтесь к нашему растущему списку подписчиков — подпишитесь на нашу экспресс-доставку новостей , и вы будете получать сообщение по электронной почте каждый раз, когда мы публикуем новую историю !!!

Подробнее Заголовки

---

КОНЕЦ .

No related posts.