Применение фотоэффекта в солнечных батареях
1. Применение фотоэффекта в солнечных батареях
Выполнил студент
Группы: 2181105
Идиятуллин Иосиф
2. Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
Что такое солнечная батарея?
История фотовольтаики и создания
солнечных батарей
Виды солнечных батарей
Принцип работы солнечной батареи
Виды аккумуляторов, используемых в
батареях
Типы солнечных батарей
Использование в космосе
Вывод
3. Что такое солнечная батарея?
Солнечные батареи -(называемые также
фотоэлектрические элементы) — это
твердотельные электрические устройства,
предназначенные для преобразования
солнечной энергии в электрическую,
посредством фотоэлектрического
эффекта.
4. История и создание солнечных батарей
Первый прототип
солнечной батареи сделал в
1883 году американский
изобретатель Чарльз
Фриттс. Устройство первой
солнечной батареи
представляло из себя
полупроводник покрытый
сверхтонким слоем золота.
Эффективность батареи
была около 1%.
5. Виды солнечных батарей
Элементы из монокристаллического
кремния
Элементы солнечных батарей, изготовленные из
монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с
закругленными углами. Это связано с технологией
изготовления: из расплавленного кремния высокой степени
очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание
из круга принимает форму квадрата с закругленными
углами; получившийся брусок разрезается на пластины
толщиной 0,3 мм; в пластины добавляются бор и фосфор и
на них наклеиваются контактные полоски; из готовых
элементов собирается ячейка батареи
Такие устройства отличаются самым высоким КПД и
надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах,
например, в космических аппаратах.
6.
Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния
Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в
которых фотоэлементы изготавливаются из
поликристаллического кремния. Технология производства
похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла
круглой формы используется прямоугольный брусок,
состоящий из большого количества мелких кристаллов
различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются
прямоугольной или квадратной формы. В качестве сырья
берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов.
Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество.
Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против
20–22% у монокристаллических батарей.
7.
Солнечные батареи аморфные
Солнечные батареи из аморфного кремния
КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше,
чем у жестких конструкций, однако, они легче
и более прочные за счет того, что их можно
сгибать. Такие приборы дороже обычных, но
им нет альтернативы в походных условиях,
когда основное значение имеет легкость и
надежность. Панели можно нашить на палатку
или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время
движения. В сложенном виде такие устройства
похожи на книгу или свернутый в рулон
чертеж, который можно поместить в футляр,
напоминающий тубус. Кроме зарядки
мобильных устройств в походе, гибкие панели
устанавливаются в электромобилях и
электросамолетах. На крыше такие приборы
повторяют изгибы черепицы, а если в качестве
основы использовать стекло, то оно
приобретает вид тонированного и его можно
вставить в окно дома или теплицу.
8. Виды аккумуляторов, используемых в батареях
Аккумулятор для солнечных батарей
Различные виды аккумуляторов,
которые можно использовать для
солнечной батареи Аккумуляторы –
важный элемент системы
круглосуточного электроснабжения
дома солнечной энергией. В таких
устройствах используются следующие
виды аккумуляторов: стартерные;
гелевые; AGM батареи; заливные (OPZS)
и герметичные (OPZV) аккумуляторы.
Аккумуляторы других типов, например,
щелочные или литиевые дорогие и
используются очень редко. Все эти
виды устройств должны работать при
температуре от +15 до +30 градусов.
9. Стартерные аккумуляторы
Самый распространенный тип аккумуляторов.
Они дешевы, но обладают большим током
саморазряда. Поэтому через несколько
пасмурных дней батареи разрядятся даже при
отсутствии нагрузки. Недостатком таких
устройств является то, что при работе
происходит газовыделение. Поэтому их
необходимо устанавливать в нежилом, хорошо
проветриваемом помещении. Кроме того, срок
службы таких аккумуляторов до 1,5 лет,
особенно при многократных циклах зарядразряд. Поэтому в долгосрочной перспективе
эти устройства окажутся самыми дорогими.
10. Гелевые аккумуляторы
–изделия, не
требующие обслуживания. При работе
отсутствует газовыделение, поэтому их
можно устанавливать в жилой комнате и
помещении без вентиляции. Такие
устройства обеспечивают большой
выходной ток, имеют высокую емкость и
низкий ток саморазряда. Недостаток таких
приборов в высокой цене и небольшом
сроке службы.
11. AGM батареи
Эти батареи имеют небольшой срок службы,
однако, у них есть много преимуществ: отсутствие
газовыделения при работе; небольшими
размерами; большим количеством (около 600)
циклов заряда-разряда; быстрым (до 8 часов)
зарядом; хорошей работой при неполном заряде.
AGM батарея AGM батарея изнутри Заливные (OPZS)
и герметичные (OPZV) аккумуляторы Такие
устройства являются самыми надежными и имеют
наибольший срок службы. Они обладают низким
током саморазряда и высокой энергоемкостью. Эти
качества делают такие приборы наиболее
популярными для установки в фотоэлементных
системах.
12. Принцип работы солнечной батареи
13. Последовательное соединение солнечных панелей
При таком соединении минусовая
клемма первой панели
соединяется с плюсовой клеммой
второй, минусовая второй с
клеммой третьей и так далее.
При последовательном
соединении нескольких панелей,
напряжение всех панелей будет
складываться. Ток системы будет
равен току панели с минимальным
током. По этой причине не
рекомендуется соединять
последовательно панели с
различным значением ток
максимальной мощности,
поскольку работать они будут не в
полную силу.
14. Параллельное соединение
В данном случае панели
соединяются при помощи
специальных Y — коннекторов.
Утаких коннекторов имеется два
входа и один выход. К входам
подключаются клеммы
одинакового знака.
При таком соединении
напряжение на выходе каждой
панели будет равны между собой
и равны напряжению на выходе
из системы панелей. Ток от всех
панелей будет складываться.
Такое соединение позволяет, не
поднимая напряжения увеличить
ток от панелей.
15. Последовательно-параллельное соединение солнечных панелей
Последний тип соединения объединяет в
себе два предыдущих. Применяя данную
схему соединения панелей, мы можем
регулировать напряжение и ток на выходе
из системы нескольких панелей, что
позволит подобрать наиболее оптимальный
режим работы всей солнечной
электростанции.
16. Контройлеры для солнечных батарей
17.
Применение солнечной батареи
Энергообеспечение зданий
В энергоустановках
Микроэлектроника
В космосе
На крыше автомобиля
Фотоэффект и принцип работы солнечной батареи
Законы внешнего фотоэффекта. Принцип действия фотометра как измерительного прибора. Преобразование энергии в солнечных батареях за счет фотовольтаического эффекта, который возникает в полупроводниковых структурах при воздействии солнечного излучения.
- посмотреть текст работы «Фотоэффект и принцип работы солнечной батареи»
- скачать работу «Фотоэффект и принцип работы солнечной батареи» (реферат)
Подобные документы
1. Сущность фотоэффекта
Процесс фотоэффекта — испускание электронов веществом под действием света. Характеристика внешнего, внутреннего, фотовольтаического, ядерного, вентильного фотоэффекта. Квантовые свойства света. Фотокатод как электрод вакуумного электронного прибора.
2. Использование солнечной энергии
Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу и электричество. Принцип действия солнечных коллекторов и аккумуляторов теплоты, солнечных установок коммунально-бытового назначения и солнечных водонагревательных установок. Электроэнергия из космоса.
3. Селективный фотоэффект
Фотоэффект как испускание электронов телами под действием света, физическое обоснование, принцип действия, формулировка основных законов. Зависимость фотоэффекта от длины электрического вектора. Практическое применение внешнего и внутреннего фотоэффекта.
4. Солнечные батареи, их характеристика
История открытия солнечной энергии. Солнечные батареи на верблюде. Принцип работы солнечных панелей. Фотоэлемент и его физический принцип работы. Солнечные батареи и коллектор, их краткая характеристика. Сырье, из которого получают солнечные батареи.
5. Принцип работы солнечных батарей
Определение понятия солнечной батареи (фотоэлектрических преобразователей), принцип его работы и получения электрического тока. Физический принцип работы фотоэлемента, факторы, влияющие на его эффективность. Особенности расположения солнечных коллекторов.
6. Анализ и сравнение работы солнечных фотоэлементов в ясную солнечную погоду и ненастную пасмурную
Физические базы фотоэлектрического преобразования концентрированного солнечного излучения. Солнечные элементы для преобразования излучения. Определение характеристик солнечных элементов. Экологические аспекты использования солнечной энергии, охрана труда.
7. Особенности фотоэффектов
Определение понятия и история открытия фотоэффекта Герцом, его развитие Гальваксом, Риги и Столетовым. Схема установки и принцип работы фотоэлементов. Основные законы фотоэффекта, принцип работы вакуумных и вентильных фотоэлементов и фоторезисторов.
8. Модели оценки вырабатываемой мощности солнечных батарей
Способ, при котором вырабатываемая мощность считается путем умножения коэффициента полезного действия солнечной батареи на мощность солнечного излучения, что соответствует месту нахождения солнечной батареи. Проведение экспериментов на физической модели.
9. Преобразование энергии солнечного излучения в тепло: возможности и перспективы использования
Использование тепла солнечного излучения для бытовых и производственных целей. Преобразование солнечного излучения по термодинамическому циклу. Общая характеристика двигателя Стирлинга. Перспективы создания солнечных станций с двигателями Стирлинга.
10. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Схема и объяснение эксперимента, открывшего явление внешнего эффекта. Объяснение и формулировка закономерностей фотоэффекта А. Энштейном. Уравнение Эйнштейна, значение открытия фотоэффекта для квантовой физики. История значимых открытий А. Энштейна.
11. Внешний фотоэффект. Вакуумный фотоэлемент, устройство, принцип действия, области применения
Характеристика внешнего фотоэффекта как процесса испускания электронов веществом под действием электромагнитного изучения. Особенности схемы возникновения фотоэффекта металла под действием падающих фотонов. Анализ схемы соединения обмоток трансформатора.
12. Альтернативные источники энергии: солнечные батареи
Особенности и условия эффективного использования солнечной энергии в хозяйственной деятельности человека. Специфика ее применения как альтернативного источника энергии. Принцип действия концентрирующих солнечных коллекторов, их типы и основные функции.
13. Солнечные электростанции
Преобразование солнечной радиации в электрическую энергию при помощи солнечных электростанций. Принцип работы солнечных электростанций, использующих солнечные батареи, параболические концентраторы и двигатель Стрилинга. Влияние на окружающую среду СЭС.
14. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Обоснование Эйнштейном гипотезы световых квантов и закономерностей фотоэффекта, люминесценции и фотохимических реакций. Рассмотрение кинетической энергии световой волны. Значение открытия фотоэффекта для понимания природы света. Биография А. Эйнштейна.
15. Системы преобразования солнечной энергии в химическую и электрическую
Характеристика фотоэлектрических и фотоэлектрохимических методов преобразования солнечной энергии в тепловую, химическую и другие виды. Гипотеза Планка и явление фотоэффекта. Применение полупроводников с гетеропереходом в работе солнечных элементов.
16. Исследование теплотехнических характеристик солнечного коллектора
Принцип действия прямоточного вакуумированного трубчатого солнечного коллектора. Расчет теплового потока от приемника солнечного излучения к теплоносителю. Определение технического и экономического потенциала тепловой энергии от солнечного излучения.
17. Альтернативная энергетика. Энергия солнечных батарей
Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики. История солнечных батарей. Использование полупроводниковых фотоэлементов в их конструкции. Первая промышленная солнечная электростанция. Принцип работы солнечной батареи. Солнечный коллектор.
18. Устройство и принцип работы солнечных коллекторов для отопления
Виды устройств для преобразования энергии солнца в тепловую. Конструкция и элементы плоского солнечного коллектора. Схема и принцип работы вакуумных трубок. Снижение теплопотерь помещений. Методы повышения коэффициента полезного действия гелиостанций.
19. Изучение внешнего фотоэффекта
Понятие вакуумного фотоэлемента, исследование его вольтамперной характеристики. Законы внешнего фотоэффекта и их объяснение. Снятие вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента, определение работы выхода электрона и красной границы фотоэффекта.
20. Солнечная энергетика как альтернативный источник энергии
Источник энергии и интенсивность солнечного излучения. Конструкции и схемы солнечного элемента. Основные принципы работы, виды и классификация солнечных батарей. Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов.
21. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую
Изучение преобразования электромагнитным излучением энергии Солнца в электрическую. Описание фотоэлектрического преобразователя энергии — солнечной батареи, ее технические характеристики. Расчет плотности потока излучения (энергетической освещенности).
22. Об использовании солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России
Изучение возможностей использования экологически чистой, доступной, возобновляемой энергии солнечного излучения. Ознакомление с особенностями плоского солнечного коллектора. Анализ процесса моделирования работы солнечной водонагревательной установки.
23. Технология и перспективы использования солнечной энергии
Проблема освоения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Сравнительный анализ различных способов преобразования солнечной энергии в электрическую. Характеристика, конструкции, принцип работы вакуумных солнечных водонагревателей-коллекторов.
24. Использование солнечной энергии
Характеристика использования солнечной энергии для отопления зданий и горячего водоснабжения. Исследование конструкций транспортных средств на солнечных батареях. Описания строительства космической солнечной электростанции и экологического поселения.
Характеристика сезонных вариаций максимальных суточных значений фототока на солнечных батареях различной ориентации. Анализ поглощения и рассеяния солнечного излучения в атмосфере для облачных условий. Географическое положение батарей относительно солнца.
- главная
- рубрики
- по алфавиту
- вернуться в начало страницы
- вернуться к подобным работам
- посмотреть текст работы
- скачать работу можно здесь
- сколько стоит заказать работу?
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу и оценить ее, кликнув по соответствующей звездочке.
Солнечные батареи – энергия Солнца в электричество (часть первая)
Любой свет, происходящий от солнца, свечи или электрической лампы, вызывают элементарные частицы – фотоны. Их энергия частично поглощается металлами с выбросом электронов, это явление получило название фотоэлектрический эффект (фотоэффект).
История создания солнечных батарей
Первый фотоэлектрический элемент был создан в 1839 году 19-ти летним французом Эдмоном Беккерелем, впоследствии ставшим известным физиком. Он поместил хлорид серебра в кислый раствор, налитый в стеклянную колбу, ввел в нее электроды из платины и поставил на свет. Эдмон выяснил, что по электродам из колбы поступает слабый ток, но ему не удалось определить точный механизм этого процесса.
В 1873 году английский инженер Смит Уиллоуби описал фотопроводимость селена. Но сам факт существования фотоэффекта в 1887 году окончательно утвердил физик Генрих Герц. Экспериментируя с открытым конденсатором немецкий ученый установил его приемник в черную коробку, чтобы лучше различать появление искры, однако в темноте ее длина оказалась по каким-то причинам меньше. Пытаясь выяснить, что же влияет на длину искры, Герц решил осветить прибор ультрафиолетом и конденсатор стал испускать более длинные искры за меньшее время.
Первую в истории солнечных батарей ячейку, основанную на внешнем фотоэффекте, создал в 1888 году Александр Григорьевич Столетов. Явление фотоэффекта в 1905 году объяснил Альберт Эйнштейн, предположив, что свет может существовать лишь как пучок квантов.
До середины XX века ряд компаний занимались изучением фотоэлементов, пытаясь достичь более высокого КПД, чем у селеновых ячеек – их производительность не превышала 0,5%. В СССР солнечную энергетику исследовали в Физико-техническом институте физики Борис Тимофеевич Коломиец и Юрий Петрович Маслаковец, под руководством академика Абрама Федоровича Иоффе. Созданные ими фотоэлектрические преобразователи показали высокий на тот момент – середина 30-х годов – коэффициент производительности, равный 1%. Несколькими годами позже значительного успеха достигла американская Bell Laboratories – КПД ее кремниевых ячеек составил 6%, правда, в лабораторных условиях.
Развитие рынка солнечных батарей
Разработкой солнечных батарей, предназначенных для выработки электроэнергии из солнечного света, в США занималась компания Hoffman Electronics Corp. В период с 1954 по 1960 годы ее конструкторам удалось поднять производительность гелиопанелей с 2% до 14%. Однако коммерческая успешность новых батарей была сомнительной – стоимость ватта энергии, полученной от солнечных панелей при ярком освещении солнечными лучами, составляла в те годы порядка 250 долларов. Производить электроэнергию при помощи ТЭЦ было гораздо выгоднее – цена «угольного» ватта обходилась не более чем в 2-3$.
Лесу Хоффману, владельцу компании-разработчика фотоэлектрических преобразователей (гелиопанелей), удалось получить армейский космический контракт и оснастить солнечными батареями небольшой площади американский спутник Авангард-1 (запущен в 1958 году), который, на момент написания этой статьи, по-прежнему исправно служит своим создателям на орбите Земли. Эффективность гелиопанелей в энергоснабжении космического аппарата оказалась настолько высока (изначально ставка делалась на аккумуляторные батареи, солнечные батареи считались сомнительным источником энергии), что для спутника Explorer 6 (запущен в 1959 году) Хоффману поручили создать батареи основного питания. Именно так появились знаменитые раскладные панели-крылья, которыми впоследствии оснащалось большинство космических спутников.
За исключением космической индустрии и нескольких производителей дорогих электромеханических игрушек, 50 лет назад солнечные батареи более никого не интересовали, несмотря на снижение стоимости ватта до 100$ в 1971 году, с появлением интегральных микросхем.
Энергетический кризис, произошедший в начале 70-х годов XX века, изменил представление крупнейших игроков мирового рынка энергоносителей об альтернативной энергетике и в частности – о солнечных батареях. Корпорации BP, Shell, Exxon и Mobil направили часть прибыли на разработку гелиопанелей.
Особенный интерес к энергетическим перспективам проявила Exxon. По оценке ее аналитиков динамика роста цен на энергоносители через 30-40 лет станет весьма интересной для солнечной энергетики и гелиопанели принесут ощутимую прибыль. Совет директоров Exxon привлекли к разработкам в этой области Эллиота Бермана, с конца 60-х проводившего исследования, касающиеся солнечной энергетики. Берман создал технологию печатных ячеек, удешевившую цену ватта, вырабатываемого солнечными батареями, со 100$ до 20$ всего за два года – с 1970-го по конец 1972-го.
Долгосрочные прогнозы Exxon в отношении солнечной энергетики оправдались – в начале 2008 года стоимость нефти взмыла до отметки 147$ за баррель (сорт WTI), что во многом объяснялось истощением месторождений. Последовавший экономический кризис снизил цены на баррель нефти до 33$, однако сейчас расценки на фьючерсы WTI составляют чуть более 101$ за баррель.
В начале XXI века американские корпорации, лидирующие на рынке фотоэлектрических преобразователей, массово перенесли свои производства в Китай. Наряду с удешевлением производственных процессов эта мера позволила снизить расценки в 2012 году до 2$ за ватт номинальной мощности.
Солнечные батареи – устройство и принцип работы
Энергия солнечного света преобразуется в электрическую в результате p-n перехода, называемого также электронно-дырочным переходом – тип проводимости переходит с одного на другой. К слову, p-n переход составляет базовую основу полупроводников – если удалить крышку с транзистора и поместить его на солнечный свет, то, с помощью вольтметра, можно обнаружить выработку совсем небольшого электротока. Происходит следующее – фотоны проникают в полупроводниковые пластины, содержащие кристаллы кремния. Каждый из фотонов выбивает по одному электроны с орбиты вокруг атомов, а высвобожденные электроны образуют электрическую энергию.
С момента создания первых образцов солнечных батарей их принцип действия остался неизменным – меняются лишь материалы и конструкция, позволяющие увеличить КПД и коэффициент фотоэлектрического преобразования.
Каркас солнечной батареи выполняется из стали, на нем закреплены панели с фотоэлементами, основу которых составляют монокристаллы кремния (чаще всего), арсенида или галлия (они используются реже). Защиту от природных явлений панелям обеспечивают специальные стекла, полностью изолирующие фотоэлементы от любых осадков. На обратной стороне солнечной панели расположены силовые контакты, предназначенные для подключения к потребляющей электросети.
Фотоэлементы в солнечных панелях
Современные фотоэлементы имеют топоразмеры 103 на 103 мм, 125 на 125 мм и 156 на 156 мм. Естественная форма пластин из кремния – диск, для сборки в панель это неудобно. Поэтому пластинам придается восьмигранный или прямоугольный формат. Однако набрать солнечную панель только из элементов полного размера практически невозможно, частично используются их доли – половина, треть, четверти и 1/6. Толщина кремниевых кристаллов – 180-220 микрометров. На обращенную к солнцу сторону фотоэлементов наносится текстура и специальное антирефлексионное покрытие, что позволяет максимально снизить отражаемость солнечных лучей.
Кремниевые элементы для солнечных панелей образованы двумя полупроводниковыми пластинами. Наружная пластина изготовлена из кремниевого расплава с добавлением специальных примесей, а внутренняя – из кристально чистого кремния, подвергнутого нескольким этапам обработки.
Ввиду небольших габаритов производительность единичного фотоэлемента крайне низка, поэтому их собирают в панели, подключая между собой параллельно или последовательно. При параллельном соединении элементов на выходе достигается более высокое напряжение, при последовательном – высокие значения тока. С целью повышения обоих значений, способы соединения фотоэлементов в масштабах одной солнечной панели комбинируются. Заметим, что совмещение параллельного и последовательного соединений позволяют снизить угрозу полного выхода из строя группы фотоэлементов при отказе одного из них.
К каждой группе фотоэлементов, составляющих ¼ часть солнечной батареи, подключен один диод – т.е. на одну панель идет четыре диода. С их помощью от выхода из строя защищаются те элементы, на которые временно не поступает солнечный свет. Если не производить диодное шунтирование, что неосвещенные фотоэлементы будут потреблять электрический ток, перегреваться и «сгорать». Диоды обеспечивают движение тока в обход затененных групп солнечной панели – как правило, с этой целью применяются низкоомные диоды Шоттки.
Типы фотоэлементов
Основной материал, используемый в их построении – кремний. 80% производимых сегодня фотоэлементов выполняются из монокристаллического и поликристаллического кремния, оставшаяся часть – из аморфного кремния. Отличить кристаллические и аморфные элементы можно по их цветности: первые обычно имеют синий окрас; цвета вторых меняются при изменении угла зрения.
Монокристаллический кремний. Такие фотоэлементы характеризуются высоким КПД – порядка 14%, их срок службы наиболее долог – в среднем 18-20 лет. Поскольку разработка кремниевых монокристаллов была начата еще в середине прошлого века, технология их производства отточена до мелочей.
Монокристалл медленно выращивается из кремниевого расплава, он имеет форму и вид стержня. Затем стержни режутся на диски, толщина каждого от 0,2 до 0,4 мм. Их обтачивают, зачищают и шлифуют, наносят несколько защитных и антирефлексионных покрытий, металлизируют. В результате всех операций получается кремниевый монокристаллический фотоэлемент.
Элементы на монокристаллах обходятся дорого и в этом их главный недостаток. Кроме того, они чувствительны к затенению, вызывающему некоторое снижение мощности.
Поликристаллический кремний. Они образуются при постепенном охлаждении расплава кремния. Ресурс и КПД ниже, чем у монокристаллов – 10 лет и не более 12%. Однако себестоимость поликристаллических фотоэлементов обходится ниже, поскольку требует меньших затрат энергии, также они менее восприимчивы к временному затенению. Причина, по которой характеристики поликристаллического кремния столь низки связана с участками зернистости, разделяющими внутреннюю структуру кристалла.
Аморфный кремний. Фотоэлементы из аморфного кремния создаются путем осаждения кремниевой пленки толщиной не более одного микрометра на подложку с последующей отделкой защитным покрытием. Они эффективны даже при низком освещении, а гибкость обеспечивает им высокую защиту от механических воздействий. Достоинства фотоэлементов из аморфного кремния – низкая стоимость, ввиду минимальных производственных энергозатрат и простой технологии исполнения, допустимость создания элементов значительной площади. Недостатки – КПД не выше 7-8%, срок службы около 10-15 лет. Солнечные панели на базе аморфного кремния обычно используются для обеспечения электропитанием калькуляторов и часов.
Помимо фотоэлементов на основе кремния существуют тонкопленочные их типы, где Si не используется.
CIS (CIGS). Первый подтип – соединение селена, меди и индия, во втором подтипе к ним добавлен галлий. По сравнению с тонкопленочными элементами, базирующимися на аморфном кремнии, их производительность выше и составляет порядка 11%. Фотоэлементы из медно-индиевого и медно-галлиевого диселиндов высокоэффективны при пасмурной погоде, хорошо работают под рассеянным светом солнца. Под солнечными лучами они деградируют медленнее, чем кристаллические элементы, к тому же способны наращивать мощность во время пребывания под солнцем в пассивном режиме (без выработки электроэнергии).
CdTe. Элементы на основе теллурида кадмия имеют КПД около 11-12%. Один из серьезных недостатков – кадмий ядовит. Но, как утверждают разработчики, содержание кадмия в фотоэлементах невелико, поэтому вреда окружающей среде их продукция нанести не может.
Тонкопленочные фотоэлементы относятся ко второму и третьему поколению фотоэлектрических преобразователей, кристаллические элементы, основа которых исключительно кремниевая – к первому. За счет способности преобразовывать в электроэнергию рассеянные и слабоинтенсивные солнечные лучи, панели на тонкопленочных элементах более производительны, если оценивать количество выработанной энергии за календарный год.
В завершении
В следующей части статьи о солнечной энергетике будет рассмотрена, в том числе, ее экономическая составляющая – окупаемость, стоимость гелиопанелей. Также будут исследованы вопросы расчета энергетических потребностей, выбора и эксплуатации солнечных батарей.
История разработки и применения солнечных батарей
Использование альтернативных источников электрической энергии сегодня является довольно популярным. Многие люди устанавливают солнечные батареи, позволяющие отапливать помещения и нагревать воду, используя энергию Солнца. Такие устройства появились довольно давно. Об истории их создания и применения вы узнаете из настоящей статьи.
Первые разработки
Над возможностью применения солнечной энергии для своих нужд задумывались ещё древние люди. Мы можем судить о наличии попыток её использования по легендам, мифам и некоторым сохранившимся писаниям. Так, например, одна из легенд гласит, что Архимеду удалось уничтожить флот врага, используя систему зажигательных зеркал. Около трёх тысяч лет назад на территории современной Турции для отопления султанского двора использовали воду, которую подогревали с помощью энергии Солнца.
Но настоящие попытки научного исследования энергии солнца, а также её применения в быту начали появляться в восемнадцатом веке. Возникновение первых солнечных отопительных приборов произошло во Франции. Но наличие взаимосвязи между светом и электрической энергией впервые обнаружил Генрих Герц. Именно этот учёный смог установить взаимосвязь между ультрафиолетом и возникновением разряда между двумя элементами, служащими проводниками электроэнергии. Ранее подобными исследования занимался Эдмон Беккерель. Именно он при работе с электролитами обнаружил фотоэлектрический эффект. Произошло это в 1839 году. Спустя 44 года английский инженер Уиллоуби Смит выявил наличие фотопроводящих свойств у селена.
Прообраз первого фотоэлемента был создан российским учёным Александром Столетовым. Но исследования на этом не прекращались. И уже в прошлом веке известный учёный Альберт Эйнштейн представил миру такое явление, как фотоэффект. Его сущность заключается в отрывании заряженных частиц от поверхности одного вещества под воздействием иного. Впоследствии в мире стали появляться фотоэлементы на основе селена, талия, комбинации меди и талия, а также кремния. Именно последнее вещество позволило получить фотоэлементы, КПД которых был намного больше созданных ранее.
Первая солнечная батарея появилась в пятьдесят третьем году прошлого столетия. С момента открытия фотоэлектрического эффекта прошло более века прежде, чем мир увидел первый солнечный элемент.
В СССР разработками в данной сфере занимались, в частности, специалисты из Физико-технического института Академии Наук под руководством известного академика А. Ф. Иоффе. Именно его ученики в 1938 году смогли создать первый в своём роде фотоэлемент, коэффициент полезного действия которого составлял всего один процент.
Исследования в данной отрасли ведутся по сей день. В 2003 году были созданы особые фотоэлектрические модели со стационарными концентраторами. 2009 год ознаменовался, в частности, включением в список лучших изобретение патента на полупроводниковый фотоэлектрический генератор. Новым матричным элементам присущ КПД, составляющий примерно двадцать пять процентов.
Современное устройство — это особая система, состоящая из нескольких взаимосвязанных элементов. Благодаря специфической структуре, а также использованию принципа фотоэффекта, солнечные батареи обладают уникальной способностью преобразования света, исходящего от Солнца, в электрическую энергию.
Первые устройства применялись в отдалённых местностях (в частности, в селе) с целью обеспечения питания систем телефонной связи. Появились они благодаря французу — Огюсту Мушо, который в конце девятнадцатого века представил особое устройство, способное фокусировать лучи на паровом котле посредством зеркал. Оно обладало способностью приводить в действие печатную машину, которая выдавала около пятисот экземпляров газеты в течение одного часа. Прошло всего несколько лет — и в Соединённых Штатах Америки появился похожий аппарат, но его мощность составляла уже пятнадцать лошадиных сил.
В семидесятых годах прошлого века первые дешёвые солнечные батареи были выпущены с конвейера нефтяной компании Exxon Corporation. Это событие поспособствовало снижению стоимости солнечной энергии в пять раз. Если раньше один Ватт оценивался в 100 долларов США, то после этого его цена составила всего 20 долларов. Упомянутая компания начала применять солнечные батареи на буровых установках (как газовых, так и нефтяных).
В апреле 2015 года Китай сделал предложение ВИЭСХ о покупке кремниевых солнечных систем. Их стоимость в зависимости от КПД варьируется в пределах 0,28-0,32 долларов США, Безусловно, стоимость солнечной энергии в Европе на сегодняшний день гораздо выше, но она всё же не сравнима с той, что была изначально. Всего за полвека цена на солнечные модули снизилась в две с половиной тысячи раз. Например, в Китае сегодня можно приобрести инвертор мощностью в сто киловатт за семь тысяч долларов США.
Система, способная преобразовывать солнечную энергию в электричество, обязана состоять из:
- Специального материала-полупроводника, в качестве которого может выступать моно- или поликристаллический кремний в совокупности с другими химическими элементами.
- Тонкого слоя элемента, назначение которого заключается в создании противодействия движению электронов.
- Источника электропитания.
- Аккумулятора.
- Контроллера.
- Инвертора-преобразователя.
- Стабилизатора напряжения.
Именно таким образом выглядит современная конструкция системы солнечных батарей.
Использование солнечных батарей в различных странах
Всего несколько таких устройств позволяют снабдить электрической энергией небольшую деревню. В тех странах, где Солнце является особенно активным, уже давно функционируют солнечные электростанции. Речь идёт об Испании и Индии, а также Саудовской Аравии и южной части Соединённых Штатов Америки.
Современные учёные уже работают над вопросом возведения солнечных электростанций за пределами атмосферы. Это позволит более эффективно использовать солнечную энергию, поскольку там она не рассеивается. Специалисты предлагают переводить излучение в микроволны и транспортировать на Землю.
Сегодня многие страны задумываются о производстве и применении солнечной энергии. Лидерство в этой отрасли принадлежит трём странам. Это Соединённые Штаты Америки, Германия и Япония. Но данное направление стремительно развивается и в Российской Федерации. Наибольшее количество установок по производству солнечной энергии на сегодняшний день построено в Краснодарском крае. Также в списке присутствуют Республика Дагестан, Ставропольский и Хабаровский край, Бурятия и Костромская область.
Производство солнечных батарей сегодня увеличивается с каждым днём. Наибольшее их количество выпускается, как это неудивительно, в Китае, где производится почти треть продукции всего мирового рынка. Большая её часть отправляется на экспорт в европейские страны, а также Соединённые Штаты Америки. В последних, к слову, потребляют больше всего солнечной энергии, а производят всего около шести процентов от общемирового количества.
В Японии и Германии производят немного меньше солнечной энергии, чем в Китае. На четвёртом месте в общемировом рейтинге находится Тайвань.
Использование солнечной энергии для бытовых нужд
Если говорить о частном домовладении, то сегодня практически каждый желающий может установить на крыше своего строения солнечные панели. Они могут служить для отопления помещений, а также подогрева воды. С помощью специалистов можно грамотно организовать такую систему и с успехом использовать её.
Также солнечные батареи начинают применять в автомобилестроении. Они являются основой столь популярного на сегодняшний день экологически безопасного транспорта. Современный автомобиль, работающий от солнечной батареи, может развивать скорость до 135 километров в час.
Солнечные батареи также используются в космонавтике, где снабжают электричеством всех систем космических станций и позволяют обеспечить бесперебойную работу всех механизмов.
Исходя из всего вышесказанного, можно заметить, что за солнечными батареями — будущее. Если вы хотите получить экономичный и экологически чистый источник электрической энергии, установите солнечную батарею.