Как работают солнечные батареи. Как работает солнечная батарея

Сетевые преобразователи для солнечных батарей являются наиболее важной частью конструкции. Они преобразуют энергию солнечных лучей в переменный поток переменного электричества. Как современные преобразователи, они объединяют выходное напряжение электроэнергии с частотой и фазой и фиксированной сеткой.

Как работают солнечные батареи

Иногда фотоэлектрические элементы использовались почти исключительно в пространстве. в качестве основного источника энергии для спутников. С тех пор солнечный улей все больше и больше входит в нашу жизнь. Даже солнцезащитные очки покрывают крыши домов и автомобилей, используются в ручных часах.

Но как работают солнечные коллекторы? Как они преобразуют энергию солнечного света в электричество?

Основные принципы

Солнечные панели состоят из фотоэлектрических элементов, упакованных в общий контекст. Каждый из них изготовлен из полупроводников, таких как кремний, которые обычно используются в солнечных батареях.

Когда лучи света попадают на полупроводник, он нагревается и частично поглощает энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. В фотоэлементе применяется электрическое поле, которое направляет свободные электроны и заставляет их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов образует электричество.

Если к верхней и нижней части фотоэлемента подсоединить металлические контакты, результирующий ток можно направить по кабелям и использовать для управления различными устройствами. Ток в сочетании с напряжением элемента определяет мощность, вырабатываемую фотоэлементом.

Кремниевые полупроводники

В качестве примера рассмотрим процесс эмиссии электронов с помощью кремния. Кремний имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья оболочка наполовину пуста — в ней только четыре электрона.

Это придает кремнию кристаллическую форму: чтобы заполнить пробел в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «поделиться» электронами с соседними. Однако чистые кристаллы кремния являются плохими проводниками, так как почти все электроны прочно прикреплены к кристаллической решетке.

По этой причине в солнечных батареях используется не чистый кремний, а небольшие кристаллы примесей — людей других веществ, добавленных к кремнию. Это означает, что на каждый миллион кремния приходится только один Фосфор.

Фосфор имеет пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с соседними атомами кремния, но пятый электрон остается «висеть» в пространстве, не связываясь с соседними индивидами.

Когда солнечные лучи падают на кремний, его электроны получают дополнительную энергию. Этого достаточно, чтобы отвлечь их от соответствующих личностей. В результате образуется отверстие. Освобожденные электроны ходят по кристаллической решетке как носители электричества. Встретив очередную «дыру», они заполняют ее.

Однако в чистом кремнии этих свободных электронов очень мало из-за сильной связи отдельных элементов в кристаллической решетке. Кремний с примесью фосфора — это совершенно другое дело. Для испускания несвязанных электронов с атомами фосфора требуется гораздо меньше энергии.

Большинство этих электронов становятся свободными носителями и могут быть эффективно направлены и использованы для производства электроэнергии. Процесс улучшения химических и природных свойств вещества путем добавления примесей известен как легирование.

Добавление атомов фосфора делает кремний электронным полупроводником типа n (от слова «отрицательный», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также богат бором, который имеет только три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от слова «положительный»), в котором образуются положительно заряженные свободные «дырки».

Принцип работы солнечных батарей для отопления дома принципиально отличается от всех вышеперечисленных устройств. Это совершенно другое устройство. Ниже приводится объяснение.

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены очень давно. Явление преобразования света в электричество было впервые открыто Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Прошло почти столетие, прежде чем был создан первый прототип.

25 марта 1948 года итальянскому фотохимику Джакомо Луиджи Чемичану удалось создать то, что мы используем и разрабатываем сегодня. Десять лет спустя, в 1958 году, эта технология была впервые испытана в космосе в качестве элемента питания американского спутника под названием Vanguard 1. Спутник был запущен 17 марта, и те же результаты были повторены в СССР 15 мая того же года («Спутник-3»). Другими словами, технология вошла в массовое использование в разных странах практически одновременно.

Использование солнечных батарей в космосе — обычная практика.

Подобные структуры до сих пор используются в космосе в качестве важного источника энергии. Они также используются на Земле для питания целых домов и городов. Они также были интегрированы в гражданские электромобили, обеспечивая повышенную автономность.

В целом, важность этих клеток невозможно переоценить. Это единственный способ получения энергии в любой точке планеты. Гидроэлектростанции, атомные электростанции и ветряные турбины могут быть установлены только в определенных местах, либо они очень дороги, либо требуют соответствующей инфраструктуры. Солнечные панели — единственный способ построить дом в пустыне и электрифицировать его. За относительно небольшие деньги. Определенно недостаточно для «ветряных турбин».

Как работают солнечные панели

Стоит немного пояснить, что понятие «солнечные батареи» не совсем точное. Точнее, это верно, но это не имеет никакого отношения к типу электрической системы, о которой мы говорим. Батареи там обычные, но энергию они получают от солнечных батарей, которые преобразуют солнечный свет в электричество.

Сердцем солнечной панели является солнечный элемент, который находится в общей раме. Для производства этих элементов обычно используется кремний, но могут применяться и другие полупроводники.

Энергия вырабатывается, когда солнечный свет попадает на полупроводник и нагревает его. В результате в полупроводнике испускаются электроны. Электрическое поле заставляет электроны двигаться более плавно, что, в свою очередь, вызывает электрический ток.

Так работают солнечные батареи.

Для выработки электроэнергии контакты должны быть подключены к обеим сторонам солнечного элемента. Затем он начинает подавать энергию на подключенные потребители или просто заряжает аккумулятор. Это обеспечивает возврат энергии в сеть по мере необходимости.

Основной вес имеет кремний благодаря своим кристаллическим свойствам. Однако чистый кремний сам по себе является плохим проводником, и для изменения его свойств и улучшения проводимости в него добавляют немного примесей. Большинство примесей содержат фосфор.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник — это материал, в котором индивид имеет либо дополнительные электроны (тип N), либо недостающие электроны (тип P). Другими словами, полупроводники состоят из двух слоев с разной проводимостью.

Уровень N используется в качестве спуска в такие схемы. Подъем — слой p. Это означает, что электроны из первого слоя могут быть перенесены во второй слой. Переход происходит при поражении электрона фотоном. Фотоны уничтожили электроны. Затем они проходят через аккумулятор и возвращаются в слой N, где все продолжается по кругу.

Когда энергия уходит, все начинает двигаться по кругу, и свет постоянно горит.

В современных солнечных батареях в качестве полупроводника используется кремний, но все они начинались с селена. Selenium показал очень низкую производительность — не менее одного процента — и был быстро заменен. Сегодня кремний в целом удовлетворяет потребности промышленности, но с существенными недостатками.

Лечение и улучшение силикона стоит очень дорого и может принимать полезную форму. Для снижения производственных затрат проводятся эксперименты с такими альтернативами, как медь, индий, галлий и кадмий.

В качестве примера рассмотрим процесс эмиссии электронов с помощью кремния. Кремний имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья оболочка наполовину пуста — в ней только четыре электрона.

Сфера применения солнечных батарей

Развитие новых технологий и эволюция концепций солнечной энергетики привели к появлению очень широкого спектра применения панелей. В прошлом такие устройства обычно устанавливались в небольших частных домах или коттеджах. Их энергопотребление было минимальным, поэтому они использовались только в бытовых целях. Сегодня существуют очень мощные, высокоэффективные электростанции. Это привело к расширению спектра применения панелей.

Интересный факт! Энергии, выделяемой Солнцем каждую секунду, достаточно, чтобы обеспечить все человечество электричеством на полмиллиона лет.

Солнечные коллекторы широко используются в промышленных и коммерческих установках и позволяют значительно экономить энергию. Столы также устанавливаются на сельскохозяйственных предприятиях, фермах и военных объектах. Самые мощные столы используются для создания различных устройств для повседневного использования, таких как линзы, калькуляторы и зарядные устройства. Они используются в качестве источника энергии в местах, где нет возможности подключиться к центральной электросети. Солнечные коллекторы можно использовать для создания различных приборов, таких как линзы, калькуляторы и зарядные устройства.

Установки современного дизайна могут быть эффективны в любом месте, как дома, так и на крупных промышленных объектах. Однако они должны иметь соответствующие размеры для требуемой мощности. Расчет этого параметра должен выполнять специалист.

Как работает солнечная панель: принцип работы устройства простым языком

Приобретая солнечный коллектор, необходимо ознакомиться с его конструкцией, а также принципами работы. Как же работают солнечные коллекторы? Несмотря на внешнюю простоту устройства, принципы работы таких электростанций достаточно сложны. Они основаны на фотоэлектрическом явлении и достигаются за счет использования фотоэлектрических элементов.

Солнечные панели собирают лучи света. Они попадают на фотоэлектрический слой. Солнечный свет вызывает испускание электронов из обоих слоев. Электроны из первого слоя занимают пространство, выброшенное вторым слоем. Электроны находятся в постоянном движении, и напряжение внешней цепи самопроизвольно увеличивается. В результате один из фотоэлектрических слоев становится отрицательно заряженным, а второй — положительно заряженным.

Это действие активирует батарею. Он начинает заряжаться и сохранять заряд. Уровень заряда батареи постоянно контролируется. При низком уровне контроллер активирует солнечную батарею. Если уровень заряда высокий, солнечная батарея отключается на том же устройстве. После этого инвертор включается. Ток преобразуется из постоянного в переменный. Выходное напряжение генераторной пары составляет 220 В. Это позволяет подключать их к бытовым приборам для подачи электроэнергии.

Подключение солнечной панели

Эффективность и правильная работа солнечных батарей зависит не только от типа и мощности солнечных батарей, но и от их установки и подключения. Необходимо составить правильные электрические схемы для всех компонентов электростанции и выбрать правильные места для установки солнечных панелей. Такие задачи следует поручать только специалистам.

Хорошо известно, что выходное напряжение одной панели относительно низкое. Обычно одновременно используется несколько панелей. Все столы должны быть подключены параллельно. Такой тип подключения обеспечивает максимальную эффективность работы оборудования.

Солнечные панели основаны на способности солнечного света (электромагнитного излучения) взаимодействовать с веществом. Во время этого взаимодействия энергия фотонов (частиц света) передается электронам в материале. Другими словами, световая энергия преобразуется в постоянный ток.

Сфера применения солнечной энергии

Солнечная энергия имеет три области применения.

• Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
• Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
• Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

Солнечные панели подходят для использования там, где нет электричества.

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективная область применения, которая постоянно развивается. Они имеют много важных преимуществ. Простота использования, длительный срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применения данного типа батарей:.

• Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
• Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
• Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
• Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
• Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

Важно: Помимо этого, мы хотели бы сделать акцент на термоядерной энергии. Несмотря на то, что «мирные люди» должны быть в безопасности, этот фактор полностью снимается в случае аварии на атомной электростанции (Три-Лонг-Айленд, Чернобыль, Фукусима).

• При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
• Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
• Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, этот практически неисчерпаемый источник энергии также имеет некоторые ограничения и недостатки.

• Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
• Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
• Периодичность генерации — солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.

Важно: Эта проблема может быть решена путем установки батарей большой емкости, но это увеличивает стоимость приобретения энергии и снижает рентабельность по сравнению с традиционными источниками энергии.

• Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
• Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
• Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
• Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).