Принцип работы солнечной батареи: Солнечные батареи: как это работает

Содержание

Солнечные батареи: как это работает

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

История создания

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

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

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

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

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

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

Принцип работы

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

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

Схема работы фотоэлемента

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

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

Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов

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

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

Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей

Существующие разновидности

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

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

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

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

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

Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

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

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

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

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

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

Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

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

«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

Крупнейшие производители

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

Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения

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

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

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

Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech

Выводы

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

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

Принцип работы солнечной батареи

Прежде, чем перейти к объяснению основных принципов получения электричества с помощью солнечных батарей, давайте кратко рассмотрим, что же такое электричество.

Все вещества во вселенной состоят из атомов, в состав которых входят протоны, нейтроны и электроны. В центре атома – ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов.

Ядро окружено отрицательно заряженными электронами, заряд которых равен заряду протонов, но противоположен ему по знаку. Количество совпадает с количеством протонов в ядре.

Равное соотношение противоположно заряженных частиц в ядре делает атом нейтральным и стабильным.

Когда на атом воздействует внешняя сила, равновесие между протонами и электронами нарушается. Эта внешняя сила вызывает потерю или присоединение электронов. Когда атом теряет электрон, он может свободно перемещаться. Именно это перемещение и называют электрическим током.

Что такое солнечное электричество?

Это образование свободных электронов при падении лучей солнца на поверхность полупроводникового материала, например, кремния.

Можно сказать, что это процесс преобразования энергии солнца в электрическую.

Как работает батарея? Полупроводники, такие как кремний, имеют свойство пропускать через себя электроток, когда на него попадают лучи солнца. Этот процесс также называют «фотоэлектрическим эффектом».

Когда фотоны (частицы, составляющие излучение солнца и имеющие определенную энергию) достигают поверхности полупроводника, его ячейки поглощают энергию фотона, которая переходит к электронам и заставляет их уходить со своих орбит, вызывая электрический ток — этот принцип лежит в основе солнечного электричества.

Множество полупроводниковых ячеек спаиваются между собой и заключаются в закаленное, хорошо пропускающее свет стекло. Это и есть солнечная батарея.

Солнечная панель – ключевой элемент электростанции, производящий электричество из света. Можно соединить любое количество батарей, чтобы получить желаемое количество электричества. Их можно установить в любом месте, благодаря чему мы имеем мобильный источник энергии.

Электрический ток, вырабатываемый солнечной панелью – это постоянный ток, однако большая часть устройств в доме потребляет переменный ток. Именно поэтому требуется устройство, которое преобразовывает постоянный в переменный — инвертор.

С помощью системы из батарей и инвертора можно получить переменный ток подходящий для дома, чтобы пользоваться электроприборами, такими как вентилятор, освещение, телевизор, холодильник и т.д.

У солнечных панелей, в отличие от угля и углеводородного топлива, существует ряд значимых преимуществ:

экологичность

отсутствие вредных выбросов

бесшумная работа

практически не требуют обслуживания

срок службы 20-25 лет

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире.

Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо 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.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Автор текста: Андрей Повный. Текст впервые опубликован на сайте Electrik.info. Перепечатано с согласия редакции.

Как работают солнечные батареи

Популярным способом получения альтернативной энергии является установка и эксплуатация солнечных станций. Системы состоят из солнечных батарей, преобразователей, аккумуляторов и некоторых других элементов. Главная задача такого комплекта получить солнечную энергию, трансформировать ее в электрический ток, накопить электричество и при необходимости отдать его на точку забора – розетку, выключатель.

И хоть все составляющие системы крайне важны, большинству потребителей, которые хорошо помнят уроки физики из школьной программы, понятно, как каждый элемент работает. А как работает солнечная батарея? Этот вопрос интересует многих потребителей, кто намерен установить панели на крышу или на специальные столы наземным способом. Во всей системе, наверное, именно это конструктивное звено остается менее понятным для большинства пользователей.

Чтобы прояснить этот момент, эксперты «GREEN SYSTEM» решили рассказать простыми словами, как работают солнечные батареи. Если после прочтения статьи у вас останутся вопросы, специалисты компании готовы ответить на них в телефонном режиме или при личной встрече в нашем офисе. Приглашаем к сотрудничеству частных лиц, фермерские хозяйства, коммерческие организации и предприятия промышленности. Мы проектируем, устанавливаем и обслуживаем солнечные станции нужной мощности с учетом потребностей и возможностей конкретного объекта. Ну а теперь перейдем к ответу на вопрос: «Как работает солнечная батарея?».

Комплектация

Основными компонентами батареи являются солнечные панели, состоящие из кремниевых фотоэлементов. Из монокристаллического или поликристаллического кремния делаются тончайшие пластины, которые и являются элементами, способными «вбирать» солнечный свет для его последующего преобразования в традиционное электричество. Фотоэлементы соединяются параллельно-последовательным способом друг с другом в единую цепь. Модуль дополнен алюминиевой рамкой, проводами, распределительной коробкой. Все перечисленные детали соединены в один блок герметиками.

Интересная информация: Кремниевые пластины, к сожалению изобретателей, сильно отражают свет. Соответственно часть солнечной энергии отражается, не используется модулем. Для уменьшения потерь фотоэлектрические пластинки покрываются антибликовым слоем. А чтобы предотвратить повреждение пластины из кремния от ветра, дождя, града, сверху модуль закрывается ударопрочным стеклом.

При этом работа солнечных панелей сама по себе не даст никакого результата, если блок не будет подключен к следующим дополнительным компонентам:

Аккумулятор. Его роль накопительная. Аккумулятор накапливает энергию, которую получили и преобразовали фотоэлементы. Установка АКБ позволяет использовать электричество тогда, когда возникает потребность в нем. Аккумулятор обеспечивает здание или оборудование электроэнергией в темное время суток и в пасмурную погоду, если не хватает энергии от фотомодулей. Нужно понимать, что в АКБ заряд идет постоянным током большого ампеража и низкого вольтажа. Для преобразования такого тока в переменный 200 вольт нужны специальные устройства.
Контроллер заряда. Критически важно обеспечить правильную нагрузку и вольтаж для заряда АКБ. Часто контроллеры заряда входят в состав гибридных инверторов или блока литий ионных батарей. Это BMS контроллеры
Инвертор-преобразователь. Важнейший элемент системы, задача которого состоит в преобразовании постоянного тока, поступающего контроль заряда АКБ, контроль нагрузки потребителей, преобразование гармоник, всплесков и других характеристик сети (у электрического тока с нашей с вами сети есть еще ряд параметров и характеристик кроме 200 вольт и 50 герц)в переменный заряд.
Стабилизатор напряжения. Этот компонент отвечает за поддержание оптимальных показателей напряжения в сети.

Итак, без любого из перечисленных элементов, система работать не сможет. А чтобы она не просто работала, а демонстрировала надежность и стабильность, компоненты должны быть грамотно подобраны. Их характеристики должны соответствовать общим расчетам, поэтому проектирование системы нужно доверять профессионалам, работающим в данной сфере.

Кристаллы фотоэлементов: виды и различия

Уже упоминалось, что пластины солнечных панелей могут быть монокристаллическими и поликристаллическими. Чем они отличаются?

Монокристаллические фотоэлементы изготавливаются из пластин кремния, которые, в свою очередь, представляют собой тончайшие срезы кремниевого кристалла, выращенного из очищенного сырья. Они демонстрируют высокий КПД до 22%. Первые фотомодули в лабораториях были из селена, который давал КПД около 1% !!! Вот такой путь от лаборатории до эффективной технологии прошли фотомодули за почти полвека Панели с монокристаллическими элементами достаточно дорогие, что объясняется дороговизной производственного процесса.
Поликристаллические фотоэлементы производятся путем расплавления кремниевого сырья и его постепенного охлаждения. Степень очистки кремния в них ниже, производственный процесс – проще, чем в первом случае. Но и результат, который можно получить при использовании таких фотоэлементов, не такой высокий. КПД достигает всего 15%.

Итак, фотоэлектрические элементы выбранного типа в нужном количестве соединяется между собой последовательно-параллельно. Такой принцип соединения позволяет получить высокие показатели напряжения и тока. Кроме того, при выходе одного элемента из строя, цепь сохраняет работоспособность, и панель может функционировать без сбоя.

Интересно знать: Монокристаллические и поликристаллические кремниевые панели не единственные доступные. Это самые популярные варианты, которые наиболее часто используются в солнечной промышленности. Но ученые, неудовлетворенные сложность выращивания кристаллов и недостаточно высоким КПД, продолжают искать им альтернативу. К примеру, конкурентами кремниевых батарей можно считать тонкопленочные кремниевые, кадмиевые фотоэлементы, пленки селенида меди-индия-галлия. Хоть КПД у этих устройств также варьируется на показателе 10-11%, но есть у них свои плюсы. Тонкая пленка эластична, долговечна, может наноситься на поверхности с неправильной геометрией. И, как показывают тесты, пленочные фотоэлектрические элементы лучше принимают лучи в пасмурную погоду. Когда речь идет о небольших объемах необходимой альтернативной энергии, такой вариант может быть рассмотрен.

Крупнейшими производителями солнечных панелей являются Китай и США. Китайские батареи отличаются конкурентной ценой. При этом они полностью соответствуют мировым стандартам, сертифицированы, надежны и долговечны.

Принцип работы солнечных панелей

Теперь, когда мы разобрались, что такое солнечная панель, рассмотрим принцип работы солнечных батарей. Важно отметить, что в конструкции модулей есть два вида полупроводников:

n-слой с избыточным числом электронов;
p-слой с дефицитом электронов.

При попадании солнечных световых потоков на n-слой его электроны высвобождаются из атомов и под действием электрического поля перемещаются на p-слой, где изначально наблюдалась их недостача. После перенаправления выработанной энергии на АКБ они вновь перемещаются на первый слой, где для них есть свободное место. Направленное движение электронов – это и есть электрический ток. Процесс не прекращается, пока аккумулятор не наберет заряд. Мощность солнечной панели длиной в метр может достигать 125 Вт.

Интересно знать: Солнечная панель может иметь многослойное строение или конструкцию с несколькими p-n переходами. Многослойные блоки улавливают солнечные потоки разного спектра, лучи разной длины. Пока такие вариации используются только в космической сфере, но скоро могут появиться и в широком доступе в солнечной промышленности. Их конструктивная особенность заключается в наличии специальных призм, разделяющих разные световые потоки. Что касается эффективности, то трехслойные панели демонстрируют КПД до 49%, а модели с бесконечным числом слоев имеют КПД до 68%.

Важная информация: Так как батарея устанавливается, чтобы получать и преобразовывать энергию солнца, то вполне понятно, что панели монтируются на площадках, где открыт доступ к солнечному свету. Если часть конструкции оказывается затемненной, это может вызвать падение выходного напряжения. Поэтому место установки тщательно продумывается, убираются все, что может создать тень. Например, крона деревьев формируется так, чтобы она не отбрасывала тень на панели.

Какие плюсы получает владелец солнечных батарей

Солнечные батареи – это современные технологии. И все же. Какие преимущества получает владелец станции? Даже одна батарея позволяет:

существенно экономить на электроэнергии, ведь ее мощности хватит, чтобы частично или полностью отказаться от тока из центральных электросетей;
окупаемость солнечных станций 3-5 лет, далее владелец получает чистую прибыль;
при правильно спроектированной системе энергии солнца после трансформации в электрический ток может хватать, чтобы отапливать дом и подогревать горячую воду;
излишки электричества можно продавать по «Зеленому тарифу».

Интересно знать: Многие люди уверены, что зимой солнечная батарея не будет эффективной, так как световой день короткий, энергии солнца гораздо меньше, чем летом. Но не стоит забывать, что снег прекрасно отражает лучи. Поэтому на панели, при правильной их установке, будет попадать часть отраженного света. И мощность модуля сократиться в зимнее время незначительно. С 2019 года производители начали выпускать двухсторонние фотомодули, которые эффективно улавливают отраженное излучение. КПД таких модулей выше на 5-7 % по сравнению с обычными.

В рамках данного материала эксперты компании GREEN SYSTEM рассказали, из чего состоят солнечные панели, как работают батареи. В офисе компании в г. Запорожье бул Парковый 1ф оф 4 вы сможете увидеть образцы солнечных панелей различных типов, комплектующие солнечных электростанций. Действует реальная модель автономной СЭС. Мы покажем аналитику и статискиу по работающим объектам, построенным нашей компанией, расскажем о ньюансах этих объектов и о том как строить эффективные солнечные станции.

Если вы хотите узнать больше про возможные выгоды от установки солнечных батарей или про принцип действия солнечной панели, свяжитесь с нашим менеджером по телефону. Специалист даст консультацию в телефонном режиме или назначит встречу на удобное для вас время.

Солнечные батареи. Как работают солнечные батареи

Дорого отапливать дом газом? Или у вас на даче постоянно отключают свет? А может быть вы устали переплачивать за электроэнергию? Вам поможет установка солнечной батареи, которая обеспечит вас не только электричеством, но и отоплением. В этой статье мы рассмотрим принцип работы солнечной батареи, и ее отличия от солнечного коллектора.

В чем суть работы солнечной батареи?

Солнечная батарея, она же фотобатарея, представляет собой фотопластину, изменяющую под воздействием солнечных лучей проводимость в отдельных своих участках.

Это позволяет преобразовать энергию этих переходов в электрическую, которая либо используется сразу, либо накапливается.
Для того, чтобы понять принцип работы солнечной батареи, необходимо знать несколько моментов:

Итак, как же работает солнечная батарея?

На отрицательно заряженную панель падает солнечный свет. Он вызывает активное образование дополнительных отрицательных зарядов и «дырок». Под воздействием электрического поля, которое присутствует в p-n переходе, происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц. Первые направляются в верхний слой, а вторые в нижний. Таким образом, появляется разность потенциалов, иными словами, постоянное напряжение (U). Исходя из этого видно, что один фотопреобразователь работает по принципу батарейки. И в случае, когда к нему подсоединяется нагрузка, в цепи возникает ток. Сила тока будет зависеть от таких параметров, как:

Выделяют несколько типов солнечных батарей: поли- и монокристаллические, а также аморфные.
Монокристаллические являются наименее продуктивными, но при этом самыми недорогими. В связи с этим их использование оправдано в качестве дополнительных источник энергии на случай отключения централизованной подачи электроэнергии.
Поликристаллы занимают промежуточные позиции по этим двум параметрам, в связи с чем могут быть использованы в отдаленных районах, лишенных централизованной подачи электроэнергии.

Аморфные солнечные батареи отличаются высокой эффективностью, однако и очень высокой стоимостью. В их основу входит аморфный кремний.

Данные разработки еще не вышли на промышленный уровень и находятся на экспериментальной стадии.

Зачем нужен контроллер в солнечной батарее?

Солнечные батареи, принцип работы которых был описан выше, не смогли бы эффективно заменить системы центральной подачи электроэнергии, если бы не были оснащены контроллерами, способными контролировать степень заряда солнечной батареи.

Контролеры позволяют перераспределять энергию, полученную от солнечных батарей, направляя ее при необходимости напрямую к источнику потребления, либо сохраняя ее в аккумуляторе.
Выделяют несколько типов контроллеров солнечных батарей, отличающихся между собой степенью увеличения общей эффективности системы солнечных батарей.

Для того, чтобы приобщиться к использованию альтернативных источников энергии, вовсе не обязательно приобретать дорогостоящую солнечную батарею. Есть более доступные примеры использования солнечной энергии для получения электрической. Речь идет о популярных в настоящее время садовых фонарях на солнечных батареях.

Такие фонарики позволяют освещать приусадебный участок в темное время суток, не затрачивая на это дополнительную электроэнергию.

Принцип работы таких фонарей заключается в том, что посредством фитопластины, вмонтированной в верхнюю часть фонарика, происходит улавливание и преобразование солнечной энергии, которая аккумулируется в небольшой батарее, расположенной в основании фонарика. Расход накопившейся энергии происходит в темное время суток.

В профессиональных кругах панели, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, называют фотоэлектрическими преобразователями, которые в разговорной речи или при написании понятных для широких масс статей принято называть солнечными батареями. Принцип работы этих устройств, первые рабочие экземпляры которых появились достаточно давно, на самом деле достаточно простой для понимания человеком, имеющим только знания со школьной скамьи.

Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию. В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей, называемых солнечными батареями.

Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё.

На картинке выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20 % КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.сайт он примерно равен всего 10 %, при том, что для каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает.

Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом он может достигать 17 % и 15 % соответственно.

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве примесей для изготовления пластины, вырабатывающей положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой системы

В современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям.

Для увеличения мощности, выходного напряжения и тока на основе солнечных батарей создаются панели, где отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях
(в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями
).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи — это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей)
, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность
. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Э.д.с. (электродвижущая сила) отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Солнечная батарея
состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном — выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов
. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. — последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 — по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. — химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Это процесс контролируется . При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов — (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей — 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Когда-то, с помощью зеркал, нагревали воду, а сейчас создают целые электростанции на солнечных батареях. Разберем принцип работы солнечной батареи, и почему они так эффективны для получения энергии.

Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии (ФЭП)– это полное название солнечных батарей. Принципы их работы известны более 30 лет, но активно внедряться в быту они начали всего несколько лет назад. Для того чтобы правильно подобрать панели для системы альтернативного обеспечения энергией, необходимо понять принцип их работы.

Принцип работы солнечной батареи

Панель преобразователя состоит из двух тонких пластин из чистого кремния, сложенных вместе. На одну пластину наносят бор, а на вторую фосфор. В слоях, покрытых фосфором, возникают свободные электроны, а в покрытых бором – отсутствующие электроны. Под влиянием солнечного света электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Чтобы снять ток с пластин их пропаивают тонкими полосками специально обработанной меди. Одной кремниевой пластины хватит для зарядки маленького фонарика. Соответственно, чем больше площадь панели, тем больше энергии она вырабатывает.

Спаянные между собой пластины,пропускающие УФ лучи, ламинируют пленкой и крепят на стекло. Скрепленные слои заключают в алюминиевую раму.

КПД солнечных батарей

Коэффициент полезного действия панелей преобразователя зависит от нескольких факторов и для традиционных солнечных батарей не превышает 25%, хотя сейчас, используя следящую систему, можно достигнуть показателя и в 40-50 %. Эта система устроена так, чтобы батарея поворачивалась в сторону солнца. Площадь батареи напрямую влияет на ее мощность – первые солнечные батареи, с которыми мы познакомились, были в калькуляторах. Для обеспечения нагрева воды потребуется минимум шесть панелей установленных на крыше.

Также КПД зависит от материала модулей. Пластины изготавливают из монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния и пленок. Самые распространенные и популярные на сегодня (благодаря доступной стоимости) тонкопленочные панели. Они сделаны из тех же материалов, но немного легче, правда, проигрывают по производительности. Максимальный КПД равен 25 %.

Фотоэлектрические
системы

Для обеспечения жилья энергией солнца одних панелей не достаточно, для этого понадобится фотоэлектрическая система (ФЭС). Такие системы бывают трех типов:

автономные ФЭС
– для отдельно стоящих частных домов, в нежилой местности
ФЭС соединенные с электросетью
– часть приборов запитана от ФЭС, а часть – от централизованной электросети
резервные ФЭС
– используется только в случае отключения централизованного энергоснабжения.

ФЭС любого типа обязательно состоит из кабелей, контроллера, инвертора и аккумулятора.

Будущее солнечных батарей

По данным исследований экологов и геологов, запасов нефти и газа осталось еще лет на 100. Источники природной энергии (воды, ветра и солнца) неисчерпаемы.

В передовых европейских странах обеспечение новостроек альтернативной энергией – прямая обязанность застройщиков уже с 2007 года. В нашей стране эти проекты продвигаются благодаря энтузиастам от экологии, собирающим вручную ФЭС из подручных материалов. Но таких единицы, веди самому сделать их довольно сложно.

Ряд украинских производителей («Аванте», «Атмосфера», «Ітнелкон України», «СІНТЕК», «Техно-АС») уже выпускают такие панели и обустраивают ФЭС по всей стране. Стоимость продукции, к сожалению, в том же диапазоне, что и зарубежные бренды (Buderus, Wolf, Rehau, Vaillant, Viessmann, Chromagen, Ferroli, Rucelf, Solver).

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.

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.

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 0 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.

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.

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

Инвертор нужен для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый. 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:

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.

Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей. Материалы для солнечных элементов

Основные принципы работы солнечных батарей

Рис. 1. Конструкция солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис.2б).

Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода:
а) — в начальный момент освещения;
б) — изменение зонной модели под действием
постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис.3):

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис.4), включающая источник тока

Iph=SqNoQ

где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (

Рис.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 3).

Рис.4. Эквивалентная схема солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна

P = Iph*U = x*Iкз*Uхх,

где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода.

Материалы для солнечных элементов

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;

полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем.

Рис.5. Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки

При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного объемного заряда (обедненного слоя) в а-Si:Н.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н, легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-n-структурой (рис. 6). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема – диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм), поэтому в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света.

Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. рис.6).

Рис.6. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а)
и расчетное распределение электрического поля (б)

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора (

Рис.7. р-i-n-Структура на стеклянной (а) и стальной (б) подложке

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт. Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Рис.8. Солнечная батарея с поперечным переходом

Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом [4]: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H (рис.8). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.

Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей — арсенид галлия. Это объясняется таким его особенностями, как:

почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;

повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;

относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании СЭ

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе —широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики.

Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH 1,2–2,0.

Рис.9. Структура солнечного элемента на основе CdTe

Еще один перспективный материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe (рис.9).

Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe – осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5–6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм (рис. 10). Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

Рис.10. Получение пленок CuGaSe2

Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4–1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.

Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки.

Основа СЭ данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило – цис-(NCS)2бис(4,4’-дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (рис. 11). Фотоэлектрод такого устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид (I-/I3-).

Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин – органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность. Основной недостаток – низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

Рис.11. Солнечная батарея на основе органических материалов

Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на позолоченной подложке.

Рис.12. Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников.

В термофотовольтаической ячейке (рис.12) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов – эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.

Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов

Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

В типичном многопереходном солнечном элементе (рис.13) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Рис.13. Принцип построения многопереходного солнечного элемента

Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2.

Рис. 14. Каскадный элемент

На рис.14 изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Рис.15. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов a-SiGe:H

Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (рис.15). Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.

Принцип работы солнечной батареи и ее устройство

Относительно недавно считалась фантастической сама идея обеспечивать частные дома электричеством автономно. Сегодня это объективная реальность. В Европе солнечные батареи используются уже продолжительное время, ведь это практически неисчерпаемый источник дешевой энергии. У нас получение электричества от таких устройств только обретает популярность. Данный процесс происходит не слишком быстро, и виной тому – высокая стоимость их.

Принцип работы солнечной батареи основан на том, что в двух кремниевых пластинах, покрытых разными веществами (бором и фосфором), под действием солнечного света возникает электрический ток. В пластине, которая покрыта фосфором, появляются свободные электроны. Отсутствующие частицы образуются в тех пластинах, которые покрыты бором. Электроны начинают двигаться под действием света солнца. Так образуется электрический ток в солнечных батареях. Тонкие жилы из меди, которыми покрыта каждая батарея, отводят от нее ток и направляют по назначению.

С помощью одной пластины можно питать энергией небольшую лампочку. Вывод напрашивается сам собой. Для того, чтобы солнечные батареи обеспечивали дом электричеством достаточной мощности, нужно чтобы их площадь была довольно большой.

Кремниевые механизмы

Итак, принцип работы солнечной батареи понятен. Ток вырабатывается при воздействии ультрафиолетового света на специальные пластины. Если в качестве материала для создания таких пластин используется кремний, то батареи называются кремниевыми (или кремневодородными).

Подобные пластины требуют очень сложных систем производства. Это, в свою очередь, сильно влияет на стоимость изделий.

Кремниевые солнечные батареи бывают разных типов.

Монокристаллические преобразователи

Представляют собой панели со скошенными углами. Их цвет всегда чисто черный.

Если говорить о монокристаллических преобразователях, то принцип работы солнечной батареи кратко можно охарактеризовать как средне эффективный. Все ячейки светочувствительных элементов такой батареи направлены в одну сторону. Это позволяет получить самый высокий результат среди подобных систем. КПД батарей этого типа достигает 25%.

Минусом является то, что такие панели должны быть всегда обращены лицевой стороной к солнцу.

Если солнце прячется за тучами, опускается к горизонту, или еще не успело взойти, то батареи будут вырабатывать ток довольно слабой мощности.

Поликристаллические

Пластины этих механизмов всегда квадратные, темно-синего цвета. В состав их поверхности включены неоднородные кристаллы кремния.

КПД поликристаллических батарей не настолько высок, как у монокристаллических моделей. Он может достигать 18%. Однако этот недостаток компенсируется достоинствами, о которых будет сказано ниже.

Принцип работы солнечной батареи этого типа позволяет изготавливать их не только из чистого кремния, но также из вторичных материалов. Этим объясняются некоторые дефекты, встречающиеся в оборудовании. Отличительной особенностью механизмов данного типа является то, что они могут достаточно эффективно вырабатывать электрический ток даже при пасмурной погоде. Такое полезное качество делает их незаменимыми в местах, где рассеянный солнечный свет является обычным повседневным явлением.

Аморфные панели из кремния

Аморфные панели дешевле остальных, это обуславливает принцип работы солнечной батареи и ее устройство. Каждая панель состоит из нескольких тончайших слоев кремния. Их изготавливают путем напыления частиц материала в вакууме на фольгу, стекло или пластмассу.

КПД панелей значительно меньше, чем у предыдущих моделей. Он достигает 6%. Кремниевые слои довольно быстро выгорают на солнце. Уже через полгода использования этих батарей их эффективность упадет на 15%, а иногда и на все 20.

Два года работы полностью исчерпают ресурс действующих веществ, и панель нужно будет менять.

Но есть два плюса, из-за которых эти батареи все же покупают. Во-первых, они работают даже в пасмурную погоду. Во-вторых, как уже говорилось, они не такие дорогие, как другие варианты.

Фотопреобразователи гибридного типа

Аморфный кремний является основой для расположения микрокристаллов. Принцип работы солнечной батареи делает ее похожей на поликристаллическую панель. Отличие батарей такого типа состоит в том, что они способны вырабатывать электрический ток большей мощности в условиях рассеянного солнечного света, например, в пасмурный день или на рассвете.

Кроме того, батареи работают под воздействием не только солнечного света, но и в инфракрасном спектре.

Полимерные пленочные солнечные преобразователи

У этой альтернативы панелям из кремния есть все шансы занять лидирующее положение на рынке солнечных батарей. Они напоминают пленку, состоящую из нескольких слоев. Среди них можно выделить сетку алюминиевых проводников, полимерный слой активного вещества, подложка из органики и защитной пленки.

Такие фотоэлементы, объединенные друг с другом, образуют пленочную солнечную батарею рулонного типа. Эти панели легче и компактнее кремниевых. При их изготовлении не используется дорогостоящий кремний, и сам процесс производства не такой затратный. Это делает рулонную панель дешевле всех прочих.

Принцип работы солнечной батареи делает их КПД не слишком высоким.

Он достигает 7%.

Процесс изготовления панелей этого типа сводится к многослойному печатанию на пленку фотоэлемента. Производство налажено в Дании.

Еще одним преимуществом является возможность резать рулонную батарею и подгонять ее под любой размер и форму.

Минус лишь один. Батареи только начали производить, поэтому еще довольно непросто ими обзавестись. Но есть повод полагать, что эти элементы быстро обретут заслуженную хорошую репутацию среди потребителей, что даст изготовителям возможность наладить производство в более крупных масштабах.

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.

Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.

Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.

Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.

Как работает солнечное отопление

Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.

Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.

По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.

Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.

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

Преобразование солнечного света в электричество

Солнечная батарея (поликристаллический кремний)		Фотоэлектрические модули, обычно называемые солнечными модулями, являются ключевыми компонентами, используемыми для преобразования солнечного света в электричество. Солнечные модули изготавливаются из полупроводников, очень похожих на те, что используются для создания интегральных схем для электронного оборудования.Наиболее распространенный тип полупроводников, используемых в настоящее время, состоит из кристаллов кремния. Кристаллы кремния ламинированы в слои n-типа и p-типа, уложенные друг на друга. Свет, падающий на кристаллы, вызывает «фотоэлектрический эффект», который генерирует электричество. Произведенное электричество называется постоянным током (DC) и может быть использовано немедленно или сохранено в батарее. Для систем, установленных в домах, обслуживаемых коммунальной сетью, устройство, называемое инвертором, преобразует электричество в переменный ток (AC), стандартную мощность, используемую в жилых домах.

Производство электроэнергии с использованием P-N Gate

Кристаллы кремния высокой чистоты используются для производства солнечных элементов.

Кристаллы перерабатываются в солнечные элементы методом плавления и литья. Отливка в форме куба затем разрезается на слитки, а затем нарезается на очень тонкие пластины.

Обработка пластин
Атомы кремния имеют четыре «руки». В стабильных условиях они становятся идеальными изоляторами.При объединении небольшого количества пятилучевых атомов (с избыточным электроном) возникает отрицательный заряд, когда солнечный свет (фотоны) попадает на избыточный электрон. Затем электрон выбрасывается из руки, чтобы свободно перемещаться. Кремний с такими характеристиками проводит электричество. Это называется полупроводником n-типа (отрицательным) и обычно возникает из-за того, что кремний «легирован» фосфорной пленкой.

Напротив, объединение трехлучевых атомов, у которых отсутствует один электрон, приводит к образованию дырки с отсутствующим электроном.В этом случае полупроводник будет нести положительный заряд. Это называется полупроводником p-типа (положительным) и обычно получается при легировании кремния бором.

P-n-переход образуется путем размещения полупроводников p-типа и n-типа рядом друг с другом. P-тип, с одним электроном меньше, притягивает лишний электрон от n-типа, чтобы стабилизировать себя. Таким образом, электричество вытесняется и генерирует поток электронов, иначе известный как электричество.

Когда солнечный свет падает на полупроводник, электрон вылетает и притягивается к полупроводнику n-типа. Это вызывает больше негатива в полупроводниках n-типа и больше плюсов в p-типе, тем самым генерируя более высокий поток электричества. Это фотоэлектрический эффект.

Региональные сайты

Дополнительная информация

Принцип работы солнечной батареи — StudiousGuy

Солнечная энергия является наиболее распространенным и возобновляемым источником энергии, доступным на Земле. Для использования этой энергии используются различные типы технологий, которые преобразуют солнечную энергию в тепло и электричество. Использование солнечных элементов или фотогальванических элементов (PV) является одним из наиболее известных и широко используемых методов использования солнечной энергии. Солнечные элементы — это электронные компоненты, которые производят электричество под воздействием солнечного света, используя фотогальванический эффект. Явление генерации электрического тока или напряжения в цепи при воздействии на нее света известно как фотогальванический эффект.Этот эффект был открыт французским физиком Александром Эдмоном Беккерелем в 1839 году. Позднее, в 1883 году, нью-йоркский изобретатель Шарль Фриттс сконструировал первый солнечный элемент, сделанный из селена с покрытием из тонкого слоя золота. В 1960-х годах солнечные батареи в основном использовались в спутниковых технологиях, а к концу 1980-х солнечные батареи также начали использовать на крышах зданий. После этого использование солнечных батарей для производства электроэнергии в бытовых и промышленных целях значительно растет день ото дня.

Указатель статей (щелкните, чтобы перейти)

Строительство солнечной батареи

Солнечный элемент представляет собой диод с p-n переходом, но его конструкция немного отличается от обычных диодов с переходом. Некоторые специфические материалы, обладающие определенными свойствами, такими как ширина запрещенной зоны в диапазоне от 1 EV до 1,8 EV, высокая электропроводность и высокое оптическое поглощение, необходимы для изготовления солнечных элементов. Полупроводники, такие как кремний, арсенид галлия, селенид меди, индия, фосфид индия и теллурид кадмия, удовлетворяют этим условиям; следовательно, они обычно используются для создания солнечных элементов.Полупроводники могут поглощать ЭМ излучения с длиной волны, равной видимому свету (400-700 нм), что повышает эффективность солнечных элементов. Солнечные элементы состоят из оптического покрытия наверху, которое называется просветляющим слоем. Антиотражающий слой обычно изготавливается из оксидов титана, тантала или кремния с помощью процесса вакуумного осаждения или центрифугирования. Этот слой улавливает большую часть падающего на него солнечного света и передает его трем слоям преобразования энергии, т.е.д., верхний соединительный слой, абсорбирующий слой и задний соединительный слой; все эти слои лежат ниже верхнего просветляющего слоя. Еще два электрических контактных слоя покрыты сверху и сзади цепи, которая проводит ток к выходной клемме, а затем обратно к солнечному элементу и замыкает электрическую цепь. Верхний слой состоит из материала с хорошей электропроводностью, который, как правило, представляет собой металл, имеющий сетчатый рисунок с тонкими и широко расположенными линиями сетки, обеспечивающий максимальный сбор света, поскольку толстый металлический слой может блокировать солнечный свет.Однако у заднего слоя такой проблемы нет, так что это просто плоское покрытие металлического слоя. Солнечные элементы состоят из тонкого слоя материала p-типа, покрытого сравнительно более толстым слоем материала n-типа. Несколько тонких электродов накладываются на слой p-типа, а несколько электродов накладываются на дно области n-типа для сбора электрического тока. Затем вся эта установка заключена в тонкое стекло, которое защищает чувствительные компоненты солнечной батареи от грязи, экстремальных погодных условий и любых механических ударов.

Строительство солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи

Солнечные элементы

работают по принципу эффекта перехода в диодах с P-N переходом. Давайте сначала обсудим материалы p-типа и n-типа, чтобы понять эффект соединения. Материалы р-типа и n-типа — это полупроводники, скажем, кремний или германий, которые состоят из некоторых атомарных примесей, а тип полупроводника (р-типа или n-типа) зависит от типа добавленной к ним примеси.Процесс добавления примесей в полупроводник известен как легирование.

P-type Semiconductor : Рассмотрим пример кристалла чистого кремния. Каждый кристалл кремния состоит из четырех электронов валентной зоны, которые связаны с соседним атомом кремния четырьмя ковалентными связями. Кристаллическая структура чистого кремния правильно выровнена, так как в ней нет лишних электронов или дырок. Теперь предположим, что один атом кремния в кристалле заменен другим атомом, скажем, бора.Атом бора состоит из трех электронов валентной зоны. Когда мы легируем кристалл кремния атомом бора, три связи атома кремния образуют связь с тремя валентными зонами бора; однако один электрон атома кремния останется несвязанным из-за отсутствия 4-го валентного электрона у бора, что оставляет избыточную дырку в решетке. Полупроводники, которые состоят из большего количества дырок, чем электронов в кристаллической решетке, известны как полупроводники P-типа, где p означает положительный.Следовательно, в полупроводниках p-типа электрический ток в значительной степени обусловлен дырками, поскольку электроны действуют как неосновные носители заряда, а дырки действуют как основные носители заряда.

N-type Semiconductor : Теперь давайте предположим, что кристалл чистого кремния легирован атомом фосфора вместо бора. Атом фосфора состоит из пяти валентных электронов. Когда атом фосфора легирован в решетку кремния, четыре валентных электрона атома фосфора будут связаны с четырьмя валентными электронами соседнего атома кремния; однако 5-й валентный электрон фосфора остается несвязанным. Этот лишний электрон может покинуть атом фосфора даже при приложении незначительной тепловой энергии. Следовательно, из-за присутствия большего количества электронов, чем дырок, эти типы полупроводников известны как полупроводники N-типа, где N означает отрицательный. Здесь электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда. В отличие от полупроводников p-типа, полупроводники n-типа могут отдавать электроны.

Солнечные элементы сконструированы путем соединения слоев двух типов полупроводников, т.е.е., n-типа и p-типа, между собой, где один слой способен отдавать электроны (n-тип), а другой слой способен принимать электроны (p-тип). Слой n-типа сильно легирован, т. е. имеет большое количество электронов и обычно остается тонким, чтобы солнечный свет мог легко проходить через него к нижним слоям. Принимая во внимание, что слой p-типа слегка легирован, чтобы гарантировать, что большая часть обедненной области формируется на p-стороне. Когда оба слоя p-типа и n-типа соединяются вместе, электроны из слоя n-типа начинают двигаться к дыркам в области p-типа вблизи перехода.Это создает область, называемую обедненной областью вокруг соединения, где электроны заполняют дырки. Когда каждая дырка в обедненной области заполнена электронами, область p-типа теперь имеет отрицательно заряженные ионы, где изначально присутствовали дырки, а область n-типа имеет положительно заряженные ионы, в которой изначально есть электроны за счет встроенной электрическое поле и наведенная разность потенциалов на переходе.

Представление эффекта P-N перехода в солнечном элементе.

Из-за присутствия противоположно заряженных ионов между обедненным слоем создается внутреннее электрическое поле, которое препятствует рекомбинации электрона в n-области с дырками в p-области. Когда солнечный свет падает на поверхность солнечных элементов, он поглощает часть фотонов, а часть этих поглощаемых фотонов, обладающих большей энергией, чем энергия запрещенной зоны (зазор между зоной проводимости и валентной зоной кристалла полупроводника, используемого в конструкции солнечных элементов) сможет выбрасывать электроны из связи, что приводит к образованию электронно-дырочных пар, известных как электронно-дырочная пара, генерируемая светом. Если электроны выбрасываются из обедненного слоя, электрическое поле заставит электроны двигаться в области n-типа, а дырки — в слой p-типа. Если мы подключим внешнюю нагрузку, электроны из области n-типа переместятся в область p-типа через область обеднения, а затем пройдут через внешние провода, подключенные в задней части слоя n-типа, следовательно, поток электричества начинается.

Работа солнечной батареи

Параметры солнечной батареи

Эффективность солнечных батарей, т.е.е., способность вырабатывать электроэнергию из солнечного света, определяется разными параметрами солнечных элементов. Давайте разберемся с этими параметрами солнечных батарей.

1. Ток короткого замыкания солнечного элемента (Isc)

Это максимальный ток, который солнечная батарея может производить без каких-либо отказов. Значение этого тока измеряется путем короткого замыкания клемм элемента при наиболее эффективном состоянии солнечного элемента для максимальной эффективности. Наиболее эффективное условие здесь называется максимальной интенсивностью света и соответствующим углом наклона элемента, когда солнечный свет падает на его поверхность, поскольку скорость выработки электроэнергии солнечными элементами зависит от всех этих факторов.Поскольку производство электроэнергии также зависит от солнечного излучения, падающего на поверхность солнечных элементов, площади элемента и угла наклона солнечных элементов, поэтому некоторые производители используют термин плотность тока вместо текущего значения. Плотность тока обозначается буквой «J», а плотность тока короткого замыкания обозначается «Jsc». Плотность тока короткого замыкания представляет собой отношение тока короткого замыкания (Isc) к площади солнечного элемента (A). Математически это представлено как

Jsc=Isc/A

Представление тока короткого замыкания солнечного элемента.

2. Напряжение холостого хода солнечной батареи (V0c)

Когда к солнечным элементам не подключена нагрузка, напряжение, измеренное на клеммах солнечных элементов, называется напряжением холостого хода солнечных элементов. Напряжение холостого хода зависит от технологии изготовления и температуры; обычно оно колеблется от 0,5 до 0,6 вольт.

Представление напряжения холостого хода солнечных элементов.

3. Максимальная мощность солнечной батареи (Pmax)

Солнечная батарея может работать при различных комбинациях напряжения и тока, но максимальную мощность он вырабатывает только при определенных значениях комбинации тока и напряжения.{0}Рабочая температура ячейки C. Если нарисовать ВИ характеристики солнечного элемента, то точка максимальной мощности солнечных элементов может наблюдаться в точке изгиба кривой ВА (как показано на рис. ниже).

Представление «точки максимальной мощности» солнечных батарей.

4. Ток при максимальной мощности (имп)

Это ток, вырабатываемый солнечным элементом, когда он работает на максимальной мощности. Его значения всегда остаются меньше тока короткого замыкания и измеряются в миллиамперах (мА) или амперах (А).

5.

Напряжение при максимальной мощности (Vmp)

Это напряжение, вырабатываемое солнечным элементом, когда он работает на максимальной мощности. Измеряется в милливольтах (мВ) или вольтах (В). Значение тока открытого напряжения всегда больше значения напряжения в точке максимальной мощности.

Представление «Напряжения при максимальной мощности» солнечных элементов.

6. Коэффициент заполнения солнечной батареи (FF)

В характеристиках ВИ солнечных элементов коэффициент заполнения представлен общей площадью, покрываемой током в точке максимальной мощности и напряжением в точке максимальной мощности (Imp-Vmp) прямоугольником с общей площадью, покрываемой током короткого замыкания и прямоугольник напряжения холостого хода (Isc-Voc), как показано на рисунке ниже.Математически это отношение произведения напряжения и тока в точке максимальной мощности (Vmp×Imp) к произведению напряжения холостого хода и напряжения короткого замыкания солнечного элемента (Voc×Isc), т. е. максимальная мощность, деленная на теоретическую мощность.

Выражается как

Коэффициент заполнения (FF) = Pmax/Pth = (Imp×Vmp)/(Isc×Voc)

Где Pmax — максимальная мощность, а Pth — теоретическая мощность.

Чем выше коэффициент заполнения, тем выше КПД солнечной батареи, и кривая характеристики ВИ станет более идеальной, т.е.д., кв. Коэффициент заполнения обычно измеряется в процентах, поэтому приведенная выше формула умножается на 100, т. е. FF% = (Pmax/Pth)100. Чем выше полученный процент, тем выше будет эффективность солнечной батареи. Для кремниевых солнечных элементов процент заполнения составляет около 80%.

Представление V-I «фактора заполнения» солнечных элементов.

7. КПД солнечных батарей (η)

Эффективность солнечной батареи представляет собой отношение максимальной выходной мощности к входной мощности (входному излучению).Она представлена в процентах. Суммарная мощность излучения на Земле считается около 1000 ватт на кв. Следовательно, если общая площадь поверхности солнечного элемента, которая подвергается воздействию излучений, равна A, то общая солнечная радиация, падающая на поверхность солнечных элементов, составит 1000 Вт. Таким образом, эффективность солнечных элементов определяется выражением

η=Pm/вывод ≈ Pm/1000A

Где η — эффективность солнечной батареи, Pm — максимальная выходная мощность, а Pin — общая входная мощность.

Основные компоненты солнечной электростанции

1. Солнечные панели

Ток, получаемый от одиночного солнечного элемента, очень мал при выходном напряжении около 0,6 В. Следовательно, многие солнечные элементы расположены вместе в различных комбинациях для увеличения выходного напряжения или тока. Эта комбинация солнечных элементов образует солнечные панели. Давайте обсудим три способа расположения солнечных элементов.

Серия Комбинация солнечных элементов: Если два или более солнечных элемента соединены друг с другом последовательно, входное напряжение удвоится, а выходной ток останется прежним.

Параллельная комбинация солнечных элементов: Если солнечные элементы соединены параллельно, выходной электрический ток удваивается, а напряжение остается прежним.

Последовательно-параллельное соединение солнечных элементов: Когда солнечные элементы соединены в последовательно-параллельное соединение, значение как электрического тока, так и напряжения увеличивается. Следовательно, для строительства солнечных панелей используется последовательно-параллельная комбинация. Путем соединения различных одиночных солнечных элементов создается солнечный модуль, и эти солнечные модули далее соединяются в солнечные батареи.

2. Трекер максимальной мощности

Это специальные цифровые трекеры, которые встраиваются в солнечные батареи для отслеживания максимального направления солнечного света. Эффективность солнечных элементов зависит от количества солнечного света, падающего на поверхность солнечных элементов. Интенсивность солнечного света в определенном направлении меняется со временем из-за движения земли, следовательно, солнечным панелям также необходимо смещать направление в направлении максимальной интенсивности солнечного света. Это делается с помощью трекеров максимальной мощности.

3. Контроллер заряда от солнечной батареи

Контроллер заряда управляет общим напряжением, поступающим от солнечных батарей на аккумуляторную батарею. Они используются для того, чтобы аккумуляторы не перезаряжались в часы пик солнечного света, т. е. в дневное время, а также не разряжались из-за обратного перетока мощности от аккумуляторов к солнечным элементам в нерабочее время. -часы, т. е. в ночные часы.Следовательно, основной функцией контроллера заряда является защита аккумулятора, но некоторые усовершенствованные контроллеры заряда от солнечных батарей также имеют возможность контролировать нагрузку и интенсивность света.

4. Инверторы

Это одна из наиболее важных частей солнечной энергетической системы, поскольку она позволяет использовать электрический ток, полученный солнечными элементами, для бытовых или промышленных целей путем преобразования его в постоянный ток (DC) из переменного тока (AC). Они также контролируют работу солнечной электростанции и предоставляют необходимые данные, которые могут помочь в диагностике любых технических проблем в солнечной системе.Кроме того, инверторы также помогают накапливать дополнительную энергию, вырабатываемую в дневное время, в батареях, которые можно использовать ночью.

5. Стеллаж для солнечных батарей

Также называется фотогальванической монтажной системой. Это специальная система, предназначенная для безопасной установки солнечных панелей в различных местах, например, на крышах зданий или на территории.

Факторы, влияющие на мощность, вырабатываемую солнечными панелями

1.Входной свет

Количество электрического тока, вырабатываемого солнечной энергией, прямо пропорционально количеству света, падающего на ее поверхность, т. е. чем больше количество света падает на солнечные элементы, тем больше будет вырабатываемой электроэнергии. Поскольку количество солнечного света, падающего на солнечные элементы, меняется в течение дня, меняются также напряжение и ток, вырабатываемые солнечным элементом. В пиковые часы солнечного света свет, падающий на солнечные элементы, максимален, следовательно, солнечные элементы генерируют максимальный ток в этот период, а вырабатываемая мощность минимальна в непиковые часы солнечного света.

2. Эффективность (η)

Солнечная батарея не преобразует весь свет, падающий на ее поверхность, в электричество. Это зависит от эффективности солнечных батарей. Эффективность солнечной батареи зависит от используемого материала и производственного процесса, поэтому значение эффективности остается неизменным и не может изменяться, хотя может снижаться из-за определенных факторов. Максимальная мощность (Pm), производимая солнечными элементами, определяется выражением

Pm=(Pin)(A)(η)

Где P — потребляемая мощность, A — площадь солнечных элементов, а η — КПД солнечных элементов.

3. Угол падения света (θ)

Замечено, что когда падающий свет падает под углом 90 градусов к поверхности солнечного элемента, максимальная мощность вырабатывается солнечными элементами, а если угол падения меньше или больше 90 градусов, солнечные элементы генерировали меньше энергии, чем его способность генерировать максимальную выходную мощность. Это происходит потому, что когда свет падает под любым другим углом, кроме 90 градусов, часть падающего света отражается, следовательно, свет, поглощаемый солнечными элементами, меньше, чем свет, падающий на его поверхность, что в конечном итоге приводит к низкой выходной мощности. .Следовательно, солнечные панели тщательно фиксируются в направлении, перпендикулярном направлению падающего света.

4. Площадь ячейки (A)

Как и входной свет, площадь солнечного элемента также прямо пропорциональна электрическому току, вырабатываемому солнечным элементом, то есть, если солнечные элементы имеют большую площадь поверхности, количество вырабатываемой ими электроэнергии также больше.

Как мы обсуждали ранее, плотность тока солнечных элементов определяется выражением

Jsc=Isc/A

Где Isc — ток короткого замыкания, Jsc — плотность тока, а A — площадь солнечных элементов.

Следовательно, Isc =Jsc*A

Отсюда из этого выражения видно, что площадь солнечного элемента и ток короткого замыкания прямо пропорциональны.

5. Рабочая температура (до)

Ток и напряжение, генерируемые солнечными элементами, как указано производителями, соответствуют стандартным условиям испытаний (STC), таким как 1000 Вт на квадрат и температура 25 градусов Цельсия. Однако на практике рабочая температура солнечных элементов не остается такой же, как в STC, из-за очень солнечных дней, а солнечный элемент заключен в стекле, что может еще больше повысить температуру.{-3} × 25)= 0,6– 0,045 = 0,5 В

Итак, понятно, что если температура увеличивается больше, чем STC, выходное напряжение солнечной батареи уменьшается.

Преимущества солнечной батареи

Важным преимуществом энергии, вырабатываемой солнечными батареями, является то, что солнечная энергия является возобновляемым источником энергии. Во время этого процесса не расходуются никакие природные виды топлива, такие как уголь и нефть. Солнечная энергия доступна во всех частях мира, и ее тоже в избытке.Ее можно использовать столько, сколько нам нужно, потому что мы не исчерпаем эту энергию, пока солнце доступно для нас.

Солнечные элементы после установки требуют очень меньших затрат на техническое обслуживание, поскольку они прочно сконструированы, чтобы выдерживать любые механические удары или экстремальные погодные условия. Солнечные панели часто поставляются с минимальной гарантией 20 лет.

Солнечные элементы не выделяют никаких опасных токсикантов для воды или воздуха, которые могут повлиять на окружающую среду; вместо этого они используются для уменьшения климатических изменений, заменяя другие средства производства электроэнергии, которые выделяют вредные выбросы.Еще одним преимуществом солнечных батарей является то, что они не имеют движущихся компонентов, поэтому они не создают шума при выработке электроэнергии.

Солнечные батареи очень экономичны, вам не нужно оплачивать счет за потребление электроэнергии, вырабатываемой с помощью ваших солнечных батарей. Кроме того, вы можете монетизировать электроэнергию, вырабатываемую вашими солнечными батареями, если ваша солнечная система подключена к сети, продавая электроэнергию в электрическую сеть.

Недостатки солнечной батареи

Место установки солнечных батарей играет решающую роль.Нельзя получить оптимальную мощность от солнечных элементов, если солнечный свет не падает прямо на них под оптимальным углом, или если солнечные элементы большую часть времени остаются в тени, поэтому для солнечных элементов требуется подходящее место для установки. электричество. Кроме того, энергия не может быть произведена в пасмурные дни и ночные периоды из-за отсутствия солнечного света, поэтому солнечные батареи не могут производить электричество 24/7.

По сравнению с другими возобновляемыми методами производства электроэнергии, солнечная энергия сильно зависит от сезонных изменений.В холодное время года мощность, получаемая солнечными элементами, меньше по сравнению с жарким сезоном из-за более коротких дней и более длинных ночей, или из-за других атмосферных условий, таких как снег, которые могут покрывать солнечные панели. Согласно исследованию, проведенному в Индии, наблюдается, что электричество, получаемое солнечными батареями в экстремально холодные месяцы (декабрь и январь), примерно на 40-60% меньше, чем электричество, получаемое в экстремальные летние месяцы (июль и август). .

Люди обычно не решаются выбирать солнечные батареи для выработки электроэнергии из-за их высокой стоимости установки.Неэффективная установка солнечных панелей на крышах также может быть проблемой; однако правительство поощряет людей устанавливать солнечные батареи на крышах своих домов, и большинство банков также предоставляют ссуды и схемы под низкие проценты клиентам, которые инвестируют в солнечные батареи.

Система солнечной энергии — как она работает?

Излишне говорить, что Солнце является крупнейшим источником возобновляемой энергии для Земли. Дело в том, что хотя Земля и получает лишь часть энергии, вырабатываемой Солнцем (т.е. Солнечная энергия), эта часть солнечной энергии также чрезвычайно велика. Земля получает солнечную энергию в виде света и тепла. Но в современном мире слова «мощность» и «энергия» больше склоняются к «электричеству». Эта статья объясняет , как электричество собирается из солнечной энергии и как она используется.

Как работает солнечная энергия?

Электрическая энергия может быть получена из солнечной энергии с помощью фотоэлектрических или концентрированных систем солнечной энергии.

Фотовольтаика (PV)

Фотогальваника напрямую преобразует солнечную энергию в электричество . Они работают по принципу фотоэлектрического эффекта. Когда некоторые материалы подвергаются воздействию света, они поглощают фотоны и высвобождают свободные электроны. Это явление называется фотоэффектом. Фотогальванический эффект — это метод получения электричества постоянным током, основанный на принципе фотоэлектрического эффекта.

На основе фотоэлектрического эффекта изготавливают солнечные элементы или фотогальванические элементы.Они преобразуют солнечный свет в электричество постоянного тока. Но один фотоэлемент не производит достаточного количества электроэнергии. Таким образом, несколько фотогальванических элементов установлены на несущей раме и электрически соединены друг с другом, образуя фотогальванический модуль или солнечную панель . Обычно доступные солнечные панели варьируются от нескольких сотен ватт (скажем, 100 Вт) до нескольких киловатт (когда-нибудь слышали о солнечной панели мощностью 5 кВт?). Они доступны в разных размерах и разных ценовых диапазонах.Солнечные панели или модули предназначены для подачи электроэнергии при определенном напряжении (скажем, 12 В), но производимый ими ток напрямую зависит от падающего света. На данный момент ясно, что фотоэлектрические модули производят электричество постоянного тока. Но в большинстве случаев нам требуется питание переменного тока, и, следовательно, солнечная энергетическая система также состоит из инвертора.

Фотоэлектрическая солнечная энергетическая система

В соответствии с потребностью в мощности несколько фотоэлектрических модулей электрически соединяются вместе, чтобы сформировать массив фотоэлектрических модулей и достичь большей мощности.Существуют различные типы фотоэлектрических систем в зависимости от их реализации.

Прямые фотоэлектрические системы: Эти системы питают нагрузку только тогда, когда светит солнце. Аккумулятора вырабатываемой энергии нет, а, следовательно, аккумуляторы отсутствуют. Инвертор может использоваться или не использоваться в зависимости от типа нагрузки.
Автономные системы: этот тип системы обычно используется в местах, где питание от сети недоступно или ненадежно. Автономная солнечная электростанция не подключена к какой-либо электрической сети.Он состоит из массивов солнечных панелей, аккумуляторных батарей и инверторных цепей.
Системы, подключенные к сети: эти солнечные энергетические системы связаны с сетями, так что избыточная необходимая мощность может быть доступна из сети. Они могут или не могут быть подкреплены батареями.

Концентрированная солнечная энергия

Как следует из названия, в этом типе солнечной энергетической системы солнечные лучи концентрируются (фокусируются) на небольшой площади путем размещения зеркал или линз на большой площади. За счет этого в сфокусированной области выделяется огромное количество тепла.Это тепло может быть использовано для нагрева рабочего тела, которое затем может приводить в действие паровую турбину. Существуют различные типы технологий, которые основаны на концентрированной солнечной энергии для производства электроэнергии. Некоторые из них — параболический желоб, тарелка Стирлинга, башня солнечной энергии и т. д. Следующая схема показывает, как работает башня солнечной энергии.

Принцип работы солнечной панели — руководство по электрике

Привет, друзья, в этой статье я собираюсь обсудить принцип работы солнечной панели и надеюсь, что вам понравятся мои усилия.

В солнечной фотоэлектрической системе солнечная энергия напрямую преобразуется в электрическую. Это делает систему гораздо более удобной и компактной по сравнению с тепловыми методами преобразования солнечной энергии.

Технология солнечных батарей является самой быстрорастущей технологией производства электроэнергии в мире. Это связано с тем, что становятся доступными солнечные элементы с эффективностью преобразования более 40%.

Фотоэлектрический элемент также называют солнечным элементом.Это полупроводниковое устройство, которое преобразует солнечный свет в энергию постоянного тока с помощью фотоэлектрического эффекта. Практически все солнечные элементы представляют собой фотодиоды, изготовленные из полупроводникового материала, такого как кремний. Солнечная батарея работает в три этапа:

Фотоны солнечного света попадают на солнечный элемент и поглощаются полупроводниковым материалом.
Отрицательно заряженные электроны отрываются от своих атомов и начинают течь в том же направлении, создавая электрический ток.
Типичный кремниевый солнечный элемент может производить до 0.5 В и током до 6 А. Таким образом, его максимальная мощность составляет 3 Вт.

Поскольку выходная мощность одного солнечного элемента очень мала, большое количество солнечных элементов соединяются между собой, образуя солнечный модуль, комбинация солнечных модулей называется панелью, а комбинация панелей называется солнечной батареей. Это делается для получения необходимой выходной мощности фотоэлектрической системы.

Когда солнечные элементы соединены последовательно, их напряжение увеличивается настолько, насколько число элементов соединено последовательно.Но ток остается прежним.

Когда ячейки соединены параллельно, напряжение остается постоянным, как и у одной ячейки, но ток увеличивается. Ячейки, модули или панели могут быть соединены параллельно, только если их напряжения одинаковы. Основные компоненты солнечной фотоэлектрической системы указаны ниже:

Блокировочные диоды

Массивы SPV подключены к аккумулятору. В солнечные часы панели вырабатывают электричество, которое заряжает аккумулятор. Но когда нет солнечного света или ночью течение попытается течь в обратном направлении, т.е.е. от батареи к массивам. Это может повредить массивы. Поэтому, чтобы избежать этого обратного потока тока, используются блокировочные диоды.

Регулятор напряжения

Выходное напряжение фотоэлектрических панелей зависит от интенсивности солнечного света. Это приведет к колебаниям тока нагрузки. Регуляторы напряжения обеспечивают удержание колебаний напряжения в установленных пределах.

Инвертор

Поскольку мощность, производимая фотоэлектрической батареей, представляет собой постоянный ток, инвертор используется для преобразования ее в мощность переменного тока, чтобы мы могли легко ее использовать.Инверторный блок, оснащенный различными защитными устройствами, обеспечивает безопасность системы и выполняет автоматическое переключение нагрузки и имеющихся источников питания.

Аккумуляторы

Используются для хранения солнечной энергии. Они являются наиболее важными компонентами солнечной фотоэлектрической системы. Успех солнечной фотоэлектрической системы во многом зависит от системы хранения аккумуляторов.

Контроллеры батарей

Это устройства, обеспечивающие правильную зарядку аккумуляторов.Они контролируют зарядный ток и защищают аккумулятор от перезаряда. Это делается путем постоянного контроля тока батареи, напряжения и температуры.

Типы солнечной фотоэлектрической системы

По способу использования может быть две конфигурации:

Автономная система
Система, подключенная к сети

Автономная система

В этой системе питание подается на нагрузку без использования какой-либо общей сети или подключения к какой-либо другой системе и работает автономно и независимо.Он используется для резервного питания, где подключение к сети очень дорого. Его можно использовать для питания нагрузок постоянного тока, а также нагрузок переменного тока с помощью инвертора.

Существуют различные типы автономных систем. Но чаще всего используется гибридная автономная система .

В гибридной автономной системе помимо фотоэлектрических панелей используется один или несколько источников. Такие источники, как генераторы, топливные элементы, сеть переменного тока и т. д., могут использоваться вместе с фотоэлектрическими батареями. Таким образом снижается зависимость от любого отдельного источника.Это также снижает емкость аккумулятора и размер фотоэлектрических массивов.

Система, подключенная к сети

В этой системе мощность, генерируемая фотоэлектрическим массивом, передается в сеть или напрямую на нагрузки переменного тока. Когда выработка электроэнергии превышает потребность нагрузки, она подается в коммерческую сеть. Таким образом, система становится частью большой сети. В этой системе, когда мощность, производимая фотоэлектрическим массивом, превышает требования местной нагрузки, она подается в сеть. Счетчик энергии используется для контроля подаваемой энергии.

Спасибо за то , что прочитали о принципе работы солнечной панели .

Электростанции | Все сообщения

Как работают солнечные батареи?

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 августа 2020 г.

Почему мы тратим время на бурение нефтяных скважин
и сгребать уголь, когда в небе над нами гигантская электростанция, посылающая
чистая, нон-стоп энергия бесплатно? Солнце, бурлящий шар
ядерная энергетика, имеет достаточно топлива на борту
управлять нашей Солнечной системой еще пять миллиардов лет, а солнечные панели
может превратить эту энергию в бесконечную, удобную
снабжение электричеством.

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

Фото: Самолет НАСА Pathfinder на солнечных батареях.
Верхняя поверхность крыла покрыта легкими солнечными панелями, которые питают пропеллеры самолета.
Изображение предоставлено
Центр летных исследований НАСА имени Армстронга.

Сколько энергии мы можем получить от Солнца?

Фото: количество энергии, которую мы можем получить от солнечного света, минимально на восходе и закате, а
максимум в полдень, когда Солнце находится прямо над головой.

Солнечная энергия удивительна. В среднем каждый квадратный метр земли
поверхность получает 164 ватта солнечной энергии (цифра, которую мы объясним более подробно чуть позже). Другими словами, вы могли бы
поставить действительно мощную (150 ватт) настольную лампу на каждый квадратный метр
поверхность Земли и осветить всю планету энергией Солнца! Или, если поставить
по-другому, если бы мы покрыли только один процент пустыни Сахара солнечными
панели, мы могли бы генерировать достаточно электроэнергии
чтобы привести в действие весь мир. Вот чем хороша солнечная энергия:
их ужасно много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую излучает Солнце, поступает на
Земля как смесь света и тепла. Оба они невероятно
важно — свет заставляет растения расти, обеспечивая нас пищей, а
жара согревает нас достаточно, чтобы выжить, но мы не можем использовать ни
Солнечный свет или тепло непосредственно для запуска 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 солнечно
клетки делают.

Что такое солнечные батареи?

Солнечная батарея — это электронное устройство, которое улавливает солнечный свет и
превращает его непосредственно в электричество.
Он размером с ладонь взрослого человека, имеет восьмиугольную форму и окрашен в иссиня-черный цвет.
Солнечные элементы часто объединяются в более крупные блоки, называемые солнечными модулями .
объединены в еще более крупные блоки, известные как солнечные панели (черно- или
окрашенные в синий цвет плиты, которые вы видите в домах людей, обычно с несколькими
сто отдельных солнечных элементов на крышу) или порубить на щепки (до
обеспечивают питание для 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, элементы в
солнечные панели предназначены для выработки электроэнергии; но где батарея
клетки производят электричество из химических веществ, элементы солнечной панели генерируют
энергию, вместо этого захватывая солнечный свет. Их иногда называют фотоэлектрическими (PV)
клеток, потому что они используют солнечный свет («фото» происходит от греческого слова «свет») для производства электричества (т.
слово «voltaic» является ссылкой на итальянского пионера электричества.
Алессандро Вольта,
1745–1827).

Мы можем думать, что свет состоит из мельчайших частиц, называемых
фотонов , поэтому луч солнечного света подобен ярко-желтому огню.
шланг, стреляющий триллионами триллионов фотонов в нашу сторону. Приклейте
солнечный элемент на своем пути, и он ловит эти энергичные фотоны и
преобразует их в поток электронов — электрический ток.
Каждая ячейка вырабатывает несколько вольт электричества, поэтому работа солнечной панели
заключается в объединении энергии, производимой многими клетками, для получения полезного количества электрического тока и
Напряжение.Практически все современные солнечные батареи сделаны из кусочков
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 падает на солнечный элемент, энергия
он вырывает электроны из кремния. Этих можно заставить
обтекать электрическую цепь и питать все, что работает на
электричество. Это довольно упрощенное объяснение! Теперь давайте возьмем
поближе…

Как изготавливаются солнечные батареи?

Фото: одиночный солнечный элемент.Фотография Рика Митчелла, предоставлена Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Кремний это материал из которого делают транзисторы
(крошечные переключатели) в микрочипах — 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, не очень
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.

Солнечная батарея представляет собой сэндвич из двух разных слоев кремния,
были специально обработаны или легированы, чтобы они
позволит электричеству течь через них определенным образом. Нижний слой
легирован, поэтому у него слишком мало электронов. Он называется кремнием р-типа или кремнием положительного типа (потому что электроны
отрицательно заряжены, и в этом слое их слишком мало).Верхний
слой легирован противоположным образом, что дает ему слишком много электронов. Это
называется кремнием n-типа или отрицательным типом. (Ты
подробнее о полупроводниках и легировании можно прочитать в наших статьях о транзисторах и
интегральные схемы.)

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой p-типа
кремний, барьер создается на стыке двух материалов (
важнейшая граница, где встречаются два вида кремния). Нет
электроны могут пересекать барьер, поэтому, даже если мы соединим этот кремний
бутерброд с фонариком, ток не пойдет: лампочка не загорится
вверх.Но если мы прольем свет на бутерброд, произойдет нечто замечательное.
бывает. Мы можем думать о свете как о потоке энергетического «света».
частицы», называемые фотонами. Когда фотоны входят
наш бутерброд, они отдают свою энергию атомам в кремнии.
Приходящая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому
Oни
перепрыгнуть через барьер на слой n-типа выше и обтекать
схема. То
чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и тем больше ток
течет.

Это то, что мы подразумеваем под фотогальваникой — напряжение, создающее свет, — и это один из видов того, что
ученые называют фотоэлектрическим эффектом.

Теперь подробнее…

Это базовое введение в солнечные батареи, и если это все, что вам нужно, вы можете остановиться здесь.
В оставшейся части этой статьи более подробно рассматриваются различные типы солнечных элементов, как
люди применяют солнечную энергию на практике, и почему солнечная энергия занимает так много времени
поймать.

Насколько эффективны солнечные батареи?

Диаграмма: Сравнение эффективности солнечных элементов: Самый первый солнечный элемент работал с КПД всего 6 процентов; самая эффективная из тех, что были произведены на сегодняшний день, показала 46-процентную эффективность в лабораторных условиях. Большинство клеток относятся к типу клеток первого поколения, которые теоретически могут управлять примерно 15 процентами, а на практике — примерно 8 процентами.

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит:
что мы не можем волшебным образом создать энергию или заставить ее раствориться в тонком
воздуха; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает
Солнечная батарея не может производить больше электроэнергии, чем она
воспринимает каждую секунду как свет. На практике, как мы скоро увидим,
большинство клеток преобразуют около 10–20 процентов энергии, которую они
получать в электричество.Типичная кремниевая солнечная батарея с одним переходом
ячейка имеет теоретическую максимальную эффективность около 30 процентов, известную как
Предел Шокли-Квиссера . Это в основном потому, что солнечный свет
содержит широкую смесь фотонов разных длин волн и
энергии, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для
ловить фотоны только в пределах определенного частотного диапазона, тратя впустую остальные.
Некоторым фотонам, попадающим в солнечный элемент, не хватает
энергии, чтобы выбить электроны, так что они эффективно тратятся впустую, в то время как
у некоторых слишком много энергии, и избыток также тратится впустую.Очень
лучшие, передовые лабораторные клетки могут обрабатывать 46 процентов
эффективность в абсолютно идеальных условиях с использованием нескольких соединений
ловить фотоны разных энергий.

Реальные домашние солнечные панели могут достигать КПД около 15 процентов, дайте
процентный пункт здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше.
Однопереходные солнечные элементы первого поколения не собираются приближаться
30-процентная эффективность предела Шокли-Квиссера, не говоря уже о
лабораторный показатель 46 процентов.Все виды надоедливых факторов реального мира будут съедать номинальную эффективность,
включая конструкцию панелей, их расположение и
под углом, находятся ли они когда-нибудь в тени, насколько чистыми вы их держите, как
они становятся горячими (повышение температуры имеет тенденцию снижать их эффективность),
и вентилируются ли они (позволяют воздуху циркулировать под ними)
чтобы они были прохладными.

Типы фотоэлектрических солнечных элементов

Большинство солнечных батарей, которые вы сегодня увидите на крышах людей,
по сути просто силиконовые бутерброды, специально обработанные («легированные»)
сделать их лучшими проводниками электричества.Ученые относят к ним
классические солнечные элементы как первое поколение, в основном для дифференциации
их из двух разных, более современных технологий, известных как вторичные
и третьего поколения. Так какая разница?

Первое поколение

Фото: Красочная коллекция солнечных батарей первого поколения.
Изображение предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.
(НАСА-ГРЦ).

Около 90 процентов солнечных батарей в мире сделаны из пластин
кристаллического кремния (сокращенно c-Si), нарезанного из крупных слитков,
которые выращиваются в сверхчистых лабораториях в процессе, который может
на выполнение уходит до месяца.Слитки либо принимают форму
монокристаллы ( монокристаллические или монокристаллические) или содержащие несколько кристаллов ( поликристаллические ,
мульти-Si или поли c-Si). Солнечные батареи первого поколения работают так же, как мы
показано в рамке вверху: они используют одно простое соединение
между слоями кремния n-типа и p-типа, которые нарезаны из
отдельные слитки. Таким образом, слиток n-типа будет получен путем нагревания кусков.
кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве
легирующей примеси, в то время как слиток p-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси.Затем кусочки кремния n-типа и p-типа сплавляются, чтобы получить
узел. Добавлено еще несколько наворотов (например,
антибликовое покрытие, которое улучшает светопоглощение и придает
фотогальванические элементы их характерный синий цвет, защитное стекло
спереди и пластиковой подложкой, а также металлическими соединениями, чтобы ячейка могла
быть включенным в цепь), но сутью всего этого является простой p-n переход.
большинство солнечных батарей. Это в значительной степени то, как все фотоэлектрические кремниевые солнечные батареи
клетки работают с 1954 года, когда ученые Bell Labs
впервые разработал технологию: сияющий солнечный свет на кремнии, извлеченном из
песок, они вырабатывали электричество.

Второе поколение

Фото: Тонкопленочная солнечная панель второго поколения. Энергогенерирующая пленка изготовлена из аморфного кремния, закрепленного на тонкой, гибкой и относительно недорогой пластиковой подложке («подложке»).
Фото Уоррена Гретца предоставлено NREL.
(идентификатор изображения № 6321083).

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины — обычно
доля миллиметра в глубину (около 200 микрометров, 200 мкм или около того).
Но они абсолютные плит 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 (несколько микрометров или миллионные доли метра в глубину).Хотя большинство из них по-прежнему изготавливается из кремния (другая форма, известная как
аморфный кремний, a-Si, в котором атомы расположены случайным образом вместо
точно упорядоченной в правильной 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
ламинированные на окна, световые люки, черепицу и все виды
«подложки» (материалы основы), включая металлы,
стекло и
полимеры (пластмассы).То, что клетки второго поколения приобретают в гибкости, они жертвуют в
эффективность: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят
их. Таким образом, в то время как первоклассная ячейка первого поколения может достичь
эффективность 15-20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается превзойти
7 процентов, лучшие тонкопленочные элементы Cd-Te выдерживают только около 11
процентов, а клетки CIGS не лучше, чем 7-12 процентов. Это один
причина, почему, несмотря на их практические преимущества, второе поколение
элементы до сих пор оказали относительно небольшое влияние на рынок солнечной энергии.

Третье поколение

Фото: Пластиковые солнечные элементы третьего поколения, произведенные исследователями Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.
Фото Джека Демпси предоставлено NREL.
(идентификатор изображения № 6322357).

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты первых и
клетки второго поколения. Подобно клеткам первого поколения, они обещают
относительно высокий КПД (30 и более процентов). Нравится
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 имеют несколько переходов (сделанных из нескольких слоев различных полупроводниковых материалов).
материалы).В идеале, это сделало бы их дешевле, эффективнее,
и более практичны, чем ячейки первого или второго поколения.
В настоящее время мировой рекорд эффективности для солнечных батарей 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?

«Суммарная солнечная энергия, достигающая Земли
Поверхность может удовлетворить существующие глобальные потребности в энергии в 10 000 раз больше».
Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности/Гринпис, 2011 .

Теоретически огромное количество. Забудем пока о солнечных батареях
и просто подумайте о чистом солнечном свете. До 1000 Вт сырой солнечной энергии
попадает в каждый квадратный метр Земли, направляясь прямо на Солнце (это
теоретическая мощность прямого полуденного солнечного света на
безоблачный день — солнечные лучи падают перпендикулярно
поверхность и дающая максимальную освещенность или инсоляцию , так как это
технически известно). На практике, после того как мы скорректировали наклон
планеты и времени суток, лучшее, что мы можем получить, это
может быть 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах.
(даже в безоблачный день).Это составляет около 2–6 кВтч в день.
(в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, таком как Канада или
Шотландия или где-нибудь более услужливый, например, в Аризоне или Мексике).
Умножение на годовое производство дает нам где-то
от 700 до 2500 кВтч на квадратный метр (700–2500 единиц
электричество). Более жаркие регионы явно имеют гораздо большую солнечную
потенциал: Ближний Восток, например, получает около 50–100
процентов больше полезной солнечной энергии каждый год, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы составляют всего около 15 процентов.
эффективным, поэтому мы можем зафиксировать только часть этого теоретического
энергия.Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество
сила, которую вы можете создать, очевидно, напрямую связана с площадью, которую вы
может позволить себе покрыть ячейками. Один солнечный элемент (примерно размером
компакт-диска) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный
модуль из массива около 40 ячеек (5 рядов по 8
ячейки) может составлять около 100–300 Вт; несколько солнечных батарей, каждая
из примерно 3–4 модулей, поэтому мог генерировать абсолютный
максимум несколько киловатт (вероятно, достаточно, чтобы удовлетворить
потребность в пиковой мощности).

А как насчет солнечных ферм?

Фото: Огромный 91 гектар (225 акров) проект солнечной генерации Alamosa в Колорадо вырабатывает до 30 мегаватт солнечной энергии с помощью трех хитрых уловок. Во-первых, существует огромное количество фотоэлектрических панелей (500 штук, каждая способна
мощности 60кВт). Каждая панель установлена на отдельном вращающемся узле, поэтому она может отслеживать движение Солнца по небу.
И у каждого есть несколько линз Френеля, установленных сверху, чтобы концентрировать солнечные лучи на своих солнечных батареях.Фото Денниса Шредера предоставлено NREL.
(идентификатор изображения № 10895528).

Но предположим, что мы хотим получить действительно больших количеств солнечной энергии.
сила. Вырабатывать столько электроэнергии, сколько здоровенный ветряк (с
пиковая выходная мощность, возможно, два или три мегаватта), вам нужно около
500–1000 солнечных крыш. И конкурировать с крупным угольным или ядерным
электростанция (оценивается в гигаваттах, что означает тысячу мегаватт
или миллиарды ватт), вам снова потребуется в 1000 раз больше —
эквивалент около 2000 ветряных турбин
или, возможно, миллион солнечных крыш.(Эти сравнения предполагают, что наша солнечная энергия и ветер производят максимальную мощность. )
Даже если солнечные батареи являются чистыми и эффективными источниками энергии,
одна вещь, на которую они не могут претендовать в данный момент, эффективна
использования земли. Даже те огромные солнечные фермы, которые сейчас появляются повсюду
место производит лишь скромное количество энергии (обычно около 20 мегаватт, или около 1 процента, как
почти как большая угольная или атомная электростанция мощностью 2 гигаватт). Возобновляемая Великобритания
Компания Ecotricity подсчитала, что требуется около 22 000 панелей, уложенных поперек
Участок площадью 12 гектаров (30 акров) для производства 4.2 мегаватта мощности, примерно столько же, сколько два больших ветра
турбин и достаточно для питания 1200 домов.

Власть народу

Фото: Ветряная микротурбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать группу аккумуляторов, благодаря которым этот предупреждающий знак о строительстве автомагистрали светится днем и ночью. Солнечная панель установлена, обращенной 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 реальном сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.Беспокойство о
захват земли упускает важный момент, если мы говорим о размещении солнечной
панели на отечественных крыш.
Экологи утверждают, что
реальный смысл солнечной энергетики не в том, чтобы создавать большие централизованные
солнечные электростанции (поэтому мощные коммунальные предприятия могут продолжать продавать
электричество бесправным людям с высокой прибылью), но вытеснить
грязные, неэффективные, централизованные электростанции, позволяя людям
сами производят власть в том самом месте, где они ее используют. Тот
устраняет неэффективность производства электроэнергии на ископаемом топливе,
загрязнение воздуха и выбросы углекислого газа, которые они производят, а также устраняет неэффективность передачи энергии с точки зрения
генерация до точки использования через воздушные или подземные электростанции
линии. Даже если вам придется покрыть всю крышу солнечными панелями.
(или заламинируйте все окна тонкопленочными солнечными батареями), 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 пустая трата места.
Согласно отчету Европейской фотоэлектрической промышленности за 2011 г. [PDF].
Ассоциация и Гринпис, нет необходимости покрывать ценные
сельскохозяйственные угодья с солнечными панелями: около 40 процентов всех крыш и 15
процентов фасадов зданий в странах ЕС подходят для фотоэлектрических систем
панелей, что составляет примерно 40 процентов от общего количества
спрос на электроэнергию к 2020 г.

Важно не забывать, что солнечная энергия смещает мощность поколения на
точка питания потребления — и это имеет большое практическое
преимущества. Теоретически наручные часы и калькуляторы на солнечных батареях
не нуждаются в батареях (на практике у них есть резервные батареи) и
многие из нас наслаждались бы смартфонами на солнечных батареях, в которых никогда не было необходимости.
зарядка. Дорожные и железнодорожные знаки теперь иногда питаются от солнечной энергии;
мигающие знаки аварийного обслуживания часто имеют установленные солнечные батареи
поэтому их можно развернуть даже в самых отдаленных 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 представляет собой смесь экономических, политических и
технологические факторы. С экономической точки зрения в большинстве
стран, электроэнергия, вырабатываемая солнечными панелями, по-прежнему дороже, чем электроэнергия, полученная путем сжигания грязных,
загрязняющие ископаемые виды топлива.В мире огромные инвестиции в ископаемые
топливная инфраструктура и, хотя мощные нефтяные компании баловались
в ответвлениях солнечной энергетики, они, кажется, гораздо больше заинтересованы в
продление срока службы существующих запасов нефти и газа с
такие технологии, как фрекинг (гидроразрыв пласта). В политическом плане нефтяные, газовые и угольные компании чрезвычайно
могущественный и влиятельный и противостоять виду окружающей среды
правила, которые благоприятствуют возобновляемым технологиям, таким как солнечная и ветровая энергия
сила. С технологической точки зрения, как мы уже видели, солнечные батареи представляют собой
постоянная «незавершенная работа» и большая часть мировой солнечной
инвестиции по-прежнему основаны на технологии первого поколения.Кто знает,
возможно, пройдет еще несколько десятилетий, прежде чем недавние научные
достижения делают экономическое обоснование для солнечной энергетики действительно привлекательным?

Одна из проблем с аргументами такого рода состоит в том, что они весят только
основные экономические и технологические факторы и не учитывают
скрытые экологические затраты на такие вещи, как разливы нефти,
загрязнение воздуха, разрушение земель в результате добычи угля или изменение климата
изменения — и особенно будущие затраты, которые трудно или
невозможно предсказать. Вполне возможно, что растущее осознание
из этих проблем ускорит переход от ископаемого топлива, даже
если нет дальнейшего технического прогресса; другими словами,
может наступить время, когда мы больше не сможем откладывать всеобщее
принятие возобновляемых источников энергии. В конечном итоге все эти факторы
взаимосвязаны. При убедительном политическом руководстве мир мог бы
посвятить себя солнечной революции завтра: политика может заставить
технологические усовершенствования, которые меняют экономику солнечной энергетики.

И одной экономики может быть достаточно. Темп технологий, инновации в
производства, а эффект масштаба продолжает снижать
Стоимость солнечных батарей и панелей. Только с 2008 по 2009 г.
по словам аналитика окружающей среды BBC
Роджер Харрабин,
цены упали примерно на 30 процентов, а
Растущее доминирование Китая в производстве солнечной энергии
с тех пор продолжает гнать их вниз.
В период с 2010 по 2016 год стоимость крупномасштабных фотоэлектрических систем упала.
примерно на 10-15% в год, согласно
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 солнечных батарей теперь китайцы; в 2016 году около двух третей новых солнечных мощностей в США приходилось на Китай, Малайзию и Южную Корею.

Фото: Солнечные батареи — не единственный способ получать энергию из солнечного света.
обязательно, лучший способ. Мы также можем использовать солнечную тепловую энергию (поглощающую тепло 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 предоставлено
NREL (идентификатор изображения № 6323238).

Быстро наверстываете упущенное?

Ожидается, что переломный момент для солнечной энергетики наступит, когда она сможет
достичь чего-то под названием четность сетки , что означает, что
Солнечная электроэнергия, которую вы производите самостоятельно, становится такой же дешевой, как
мощность, которую вы покупаете из сети. Многие европейские страны ожидают
достичь этого рубежа к 2020 году. Компания Solar, безусловно,
впечатляющие темпы роста в последние годы, но важно
помните, что он по-прежнему представляет собой лишь часть всего мира
энергия.В Великобритании, например, солнечная промышленность
«веховое достижение» в 2014 году, когда он почти удвоил общее количество
установленная мощность солнечных панелей ориентировочно от 2,8 ГВт до 5 ГВт. Но
что по-прежнему представляет собой лишь пару крупных электростанций и, на
максимум вывод , всего 8 процентов от общего числа в Великобритании
потребность в электроэнергии примерно 60 ГВт (с учетом таких вещей, как
облачность уменьшит его до какой-то доли 8 процентов).

По данным Управления энергетической информации США,
в США, где была изобретена фотоэлектрическая технология, по состоянию на 2018 г.
солнечный представляет только 1.6 процентов от общего производства электроэнергии в стране.
Это примерно на 23 процента больше, чем в 2017 году (когда доля солнечной энергии составляла 1,3 процента), и 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 доля солнечной энергии составляла всего 0,4 процента).
Тем не менее, это все еще примерно в 20 раз меньше, чем угля.
и в 40 раз меньше, чем все виды ископаемого топлива. Другими словами, даже 10-кратное увеличение солнечной энергии в США
увидеть, что он производит не намного больше половины электроэнергии, чем сегодня уголь
(10 × 1,6 = 16 процентов по сравнению с 27.4 процента на уголь в 2018 году). Это
отметить, что два основных ежегодных энергетических обзора в мире,
Статистический обзор мировой энергетики и международного
В ключевой статистике мировой энергетики Энергетического агентства почти не упоминается солнечная энергия.
мощность вообще, кроме как в сноске.

Диаграмма

: Солнечная энергия с каждым годом вырабатывает больше электроэнергии, но все еще далеко от нее
столько же, сколько угля. На этой диаграмме сравнивается процент электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах солнечными батареями.
электроэнергия (зеленая линия) и уголь (красная линия).В одних странах ситуация лучше, а в других хуже.
Нарисовано сайтомобъясненияэташтуфф.com с использованием исторических и текущих данных из
Управление энергетической информации США.

Изменится ли это в ближайшее время? Просто может. Согласно
Статья 2016 года исследователей из Оксфордского университета,
стоимость солнечной энергии сейчас падает так быстро, что она может обеспечить 20 процентов
мировых энергетических потребностей к 2027 году, что станет шагом вперед по сравнению с тем, что мы имеем сегодня,
и гораздо более высокие темпы роста, чем кто-либо ранее прогнозировал.Могут ли продолжаться такие темпы роста? Может ли солнечная энергия действительно повлиять на изменение климата, пока не стало слишком поздно? Следите за этим пространством!

Краткая история солнечных батарей

1839: Французский физик Александр-Эдмон Беккерель (отец первооткрывателя 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 фотокопировального аппарата).
1905: Физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн выясняет физику 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 будет производить электрический ток при воздействии света.
1954: Исследователи Bell Labs Дэрил Чапин , Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон создают первый практический фотоэлектрический кремниевый солнечный элемент с эффективностью около 6 процентов (более поздняя версия обеспечивает 11 процентов).Они объявляют о своем изобретении, первоначально названном «солнечной батареей», 25 апреля.
1958: Космические спутники Vanguard, Explorer и Sputnik начинают использовать солнечные батареи.
1962: 3600 солнечных батарей Bell используются для питания Telstar, новаторского телекоммуникационного спутника.
1997: Федеральное правительство США объявляет о своей инициативе «Миллион крыш на солнечных батареях» — к 2010 году планируется построить миллион крыш на солнечных батареях.
2002: НАСА запускает свой солнечный самолет Pathfinder Plus.
2009: Ученые обнаруживают, что кристаллы перовскита имеют большой потенциал в качестве фотогальванических материалов третьего поколения.
2014: Сотрудничество между немецкими и французскими учеными установило новый рекорд — 46-процентную эффективность четырехпереходного солнечного элемента.
2020: Солнечные батареи, по прогнозам, достигнут сетевого паритета (солнечная электроэнергия, которую вы производите сами, будет такой же дешевой, как электроэнергия, которую вы покупаете у сети).
2020: Перовскит-кремниевые элементы обещают значительное увеличение солнечной эффективности.

Принцип работы фотоэлемента | Как работают солнечные фотоэлектрические элементы

Изучите принцип работы фотоэлектрических элементов ИЛИ Как работают солнечные фотоэлектрические элементы.

Здесь мы узнаем о принципах работы фотоэлектрических элементов или о том, как работают солнечные фотоэлектрические элементы .

Что такое фотоэлектрическая или солнечная батарея?

Фотоэлектрическая батарея или солнечная батарея со своим символом

Фотоэлектрический элемент, или солнечный элемент, или фотоэлектрический элемент — это наименьший и основной строительный блок фотоэлектрической системы (солнечный модуль и панель солнечных батарей ).Эти клетки различаются по размеру от 0,5 до 4 дюймов. Они состоят из солнечного фотогальванического материала, который преобразует солнечное излучение в электричество постоянного тока ( DC ).

Материалы, используемые для фотогальваники, включают монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, микрокристаллический кремний, теллурид кадмия и селенид/сульфид меди-индия.

Различные типы фотоэлементов

Сегодня разрабатывается много новых типов фотоэлементов, но в основном из двух разных материалов:

1.Кристаллические кремниевые фотоэлементы (монокристаллические)

Эти солнечные элементы изготовлены из кристаллического кремния. Многие из вас, должно быть, знают, что кремний является вторым наиболее распространенным материалом на Земле и в изобилии содержится в песке. Чтобы сделать солнечные элементы из кремния, изготовленные кристаллы кремния нарезают до толщины около 300 микрометров и покрывают, чтобы они работали как полупроводник для захвата солнечной энергии.

2. Тонкопленочные или поликристаллические фотоэлементы

В тонкопленочных фотоэлементах

в качестве полупроводника используется аморфный кремний или его альтернатива. Эти солнечные элементы относительно гибкие и могут быть установлены непосредственно со строительными материалами. Они отлично работают даже в облаках, когда мало солнечного света. Недостатком здесь является то, что тонкопленочные фотоэлементы генерируют меньше электроэнергии, чем кристаллические кремниевые элементы.

Солнечные фотоэлектрические панели

Массив или солнечные фотоэлементы электрически соединены вместе, чтобы сформировать фотоэлектрический модуль, а массив таких модулей снова электрически соединен вместе, чтобы сформировать солнечную панель.Это соединение выполняется пайкой с использованием проволоки с флюсовым сердечником и ленты PV.

Солнечная батарея, солнечный модуль и солнечная панель

Характеристики фотоэлектрического или солнечного элемента

Знаете ли вы, что солнечный свет мы получаем на Земле частицами солнечной энергии, называемыми фотонами. Когда эти частицы попадают на полупроводниковый материал (кремний ) солнечного элемента, свободные электроны высвобождаются и движутся к обработанной передней поверхности элемента, создавая тем самым отверстия. Этот механизм повторяется снова и снова, и все больше и больше электронов ( Отрицательный заряд ) направляются к передней поверхности клетки и создают дисбаланс электронов.Теперь, когда передняя ( – ) и задняя ( + ) поверхности фотогальванического элемента соединены проводником, например медным проводом, генерируется электричество.

Принцип работы фотоэлектрической ячейки для выработки электроэнергии

Солнечные элементы преобразуют энергию солнечного света в электрическую энергию. Солнечные элементы содержат такой материал, как кремний, который поглощает световую энергию. Энергия выбивает электроны, чтобы они могли свободно течь и создавать разницу в электрической потенциальной энергии или напряжении.

Поток электронов или отрицательный заряд создает электрический ток. Солнечные элементы имеют положительные и отрицательные контакты, как клеммы в батарее. Если контакты соединены токопроводящим проводом, ток течет от отрицательного контакта к положительному. На рисунке ниже показано, как фотоэлемент работает для выработки электроэнергии.

Принцип работы фотоэлемента или как работает фотоэлемент

Сколько электроэнергии может генерировать фотоэлектрическая батарея

Один фотоэлектрический элемент может производить от 1 до 2 Вт электроэнергии.Этой энергии слишком мало для использования в любом домашнем хозяйстве или в коммерческих целях.

Чтобы увеличить выход электроэнергии, несколько фотоэлементов электрически соединяются вместе, чтобы сформировать фотоэлектрический модуль, и эти модули дополнительно электрически соединяются, чтобы сформировать фотоэлектрическую панель / фотоэлектрический массив. Количество модулей, соединенных в массив, зависит от количества необходимой солнечной электроэнергии.

Преобразование постоянного тока в переменный ток

Фотоэлементы генерируют постоянный или постоянный ток.Это электричество постоянного тока должно быть преобразовано в переменный или переменный ток, чтобы его можно было использовать в системе домашнего освещения или работающих приборах. Инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный. Это то же самое, что и преобразование постоянного тока из батареи в переменный ток.

Хранение электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями

Электричество, вырабатываемое солнечными элементами с использованием солнечной энергии, должно храниться, чтобы его можно было использовать позже по мере необходимости. Это делается путем подачи тока в банк солнечных батарей.

Видео: Как работают солнечные элементы?

Основы солнечных фотоэлектрических элементов | Департамент энергетики

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, на него приходится примерно 95 % продаваемых сегодня модулей. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и самый распространенный полупроводник, используемый в компьютерных чипах. Элементы кристаллического кремния состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом в кристаллическую решетку.Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 и более лет, по истечении этого времени производя более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы

Тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл.Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым наиболее распространенным фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe можно изготавливать с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их экономически эффективной альтернативой, их эффективность все еще не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным.И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитные фотоэлектрические элементы

Перовскитные солнечные элементы представляют собой разновидность тонкопленочных элементов и названы в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки перовскита состоят из слоев материалов, которые печатаются, покрываются или наносятся вакуумным способом на нижележащий поддерживающий слой, известный как подложка. Как правило, они просты в сборке и могут достигать эффективности, аналогичной кристаллическому кремнию.В лаборатории эффективность перовскитных солнечных элементов повышалась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более чем 25% в 2020 году. работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Органические фотогальванические элементы

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет.Ячейки OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем ячейки из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть менее дорогими в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV можно использовать в самых разных целях.