Пристрій сонячної батареї - повний огляд елементів

Вже майже два століття людство напружено думає, де і як дістати необхідну кількість електричної енергії для своїх численних винаходів і зростаючих потреб.

За цей час з'явилися могутні електростанції, масштабні ГЕС, сила розщепленого атома і міць бурхливих річок прийшла на допомогу людству.

Особливо стрімко розвиваються в різних регіонах Землі в останні десятиліття такі альтернативні джерела енергії, як вітрові станції і сонячні батареї.

Враховуючи, що згасання Сонця очікується лише через 4-5 млрд. років, таке джерело енергії, як сонячні батареї можна вважати невичерпним. Поговоримо про нього. Що це таке, звідки взялося і як влаштовано.

Винахід

Інсолятор О. МушоПершим, хто зміг експериментально виявити взаємодію між світлом і електричною енергією, був знаменитий німецький фізик Генріх Герц. Також відомо, що явище, аналогічне відкритому пізніше фотоэффекту спостерігав і досліджував у 1839 р. Едмон Беккерель.

Він зумів з'ясувати, що ультрафіолет значно сприяє виникненню та проходження розряду між двома провідниками електричної енергії. Однак, провівши ряд експериментів, Герц не став розвивати цю тему.

Першу в світі, працездатну схему з вироблення і передачі електричної енергії із застосуванням променів світла справив російський вчений з Москви Олександр Столєтов. Він створив прообраз першого у світі фотоелемента.

Француз Огюст Мушо в кінці позаминулого століття зумів створити систему, при якій сфокусовані і перетворені сонячні промені приводили в рух друкарську машину.

Розвиток досліджень з перетворення сонячної енергії в електричну в 20 столітті ознаменувався роботою А. Ейнштейна з відкриття фотоефекту (явище відривання заряджених частинок від поверхні деякого речовини, що знаходиться під дією іншої речовини або світла).

Це призвело до появи перших фотоелементів на основі селену (Se – 34), а потім і талію (Tl – 81). В 1930 рр. вченими-фізиками Академії наук СРСР було створено мідно-талієва (Cu-Tl) фотоелемент з найбільшим для тих часів ККД на 1%.

пізніше фотоелементи на основі Кремнію (Si-14) мали в 6 разів більший ККД. У 1953 р. була розроблена перша у світі сонячна батарея. Через 5 років вчені СРСР встановили перші сонячні батареї на штучний супутник Землі №3.

Третій штучний супутник Землі (СРСР, 15 травня 1958 р.) з сонячними батареями.У 1970-х рр. минулого століття вчені з'ясували, що напівпровідники краще багатьох металів утворюють електричний струм світла. З тих пір з'явилося безліч нових видів і матеріалів для виробництва сонячних батарей.

Саме відкриття фотоефекту, вироблене А. Ейнштейном, і призвело до виникнення і розвитку індустрії сонячних батарей.

Як влаштована

Система СБИтак, сонячна батарея – система взаємопов'язаних елементів, структура яких дозволяє, використовуючи принцип фотоефекту, перетворювати потрапляє на них під певним кутом сонячне світло в електричний струм.

Система, яка перетворює сонячне світло в електричну енергію складається з наступних комплектуючих елементів:

1. Матеріал-напівпровідник (щільно поєднані два шари матеріалів з різною провідністю). Це може бути, наприклад, монокристалічний або полікристалічний кремній з додаванням інших хімічних сполук, що дозволяють отримати потрібні для виникнення фотоефекту властивості.

   Для виникнення переходу електронів з одного матеріалу в іншій, необхідно, щоб один з шарів мав надлишок електронів, а інший – їх нестача. Перехід електронів в область з їх нестачею називають p-n переходом.

2. Найтонший шар елемента, що протистоїть переходу електронів (розміщується між цими шарами).
3. Джерело електроживлення (якщо його підключити до протистояв шару електрони зможуть легко долати цю запірну зону). Так виникне впорядкований рух заражених частинок, називається електричним струмом.
4. Акумулятор (накопичує і зберігає енергію).
5. Контролер заряду.
6. Інвертор-перетворювач (перетворення одержуваного від сонячної батареї постійного електричного струму в змінний струм).
7. Стабілізатор напруги (призначений для створення напруги потрібного діапазону в системі сонячної батареї).

Схема роботи сонячної панелиФотоны світла (сонячне світло), що потрапляють на поверхню напівпровідника при зіткненні з поверхнею передають свою енергію електронам напівпровідника. Вибиті внаслідок удару з напівпровідника електрони долають захисний шар, маючи додаткову енергію.

Таким чином, негативні електрони залишають p-провідник, переходячи в провідник n, позитивні – навпаки. Такого переходу сприяють існуючі в провідниках на той момент електричні поля, які в наслідок збільшують силу і різниця зарядів (до 0.5 В невеликому провіднику).

Маючи намір придбати сонячну батарею або виготовити її, ретельно прорахуйте:

• вартість такої батареї і необхідного обладнання;
• необхідну вам кількість електричної енергії;
• кількість необхідних вам батарей;
• число сонячних днів у році в вашому регіоні;
• вам необхідну площу для встановлення сонячних батарей.

Сила струму

Сила електричного струму в сонячному елементі залежить від таких факторів, як:

• кількість світла, що потрапило на поверхню елемента;
• інтенсивність випромінювання джерела світла;
• площа приймаючого фотони елемента;
• кут падіння світла на приймаючий елемент;
• час експлуатації елемента;
• ККД системи (у даний час у передових аналогів він складає не більше 24%. Про ККД сонячних батарей Ви можете прочитати в цій статті.);
• температура навколишнього повітря (чим вище вона, тим більше у елемента опір).

Елементи для поліпшення роботи

РБ на сонячному трекереДля організації більш ефективної роботи фотоелементів в конструкції сонячної батареї використовують діод Шотткі.

Він являє собою напівпровідниковий діод типу, який має менше в порівнянні з іншими конструкціями падіння напруги при включенні безпосередньо.

Він працює на основі використання переходу p-n типу в середовищі "метал-провідник". Порівняння з кремнієвими діодами показує, що пряме напруга знижується в середньому з 0,65 до 0,35, що сприяє зростанню ККД системи.

Для більш ефективного попадання сонячного світла на поверхню батареї розроблено і використовується спеціальний пристрій – сонячний трекер. Цей пристрій призначений для спостереження за рухом Сонця і повороту сонячної панелі (батареї) таким чином, щоб на її поверхню потрапляло якомога більше сонячних променів (оптимізація кута падіння променів).

Для більш раціонального з'єднання двох і більш панелей сонячних батарей і отримання потрібного опору в такій системі використовуються спеціальні сертифіковані коннектори, наприклад МС4 Т (male+female).

Переваги та недоліки

Позитивними рисами даного виду вироблення енергії є:

• екологічність (не забруднює навколишнє середовище);
• довговічність (при дбайливому використанні фотоелементи прослужать кілька десятків років);
• досить простий принцип роботи.

Мінусами системи є:

• складність складання самої системи і налагодження її роботи;
• низький ККД (потрібна дуже велика площа сонячних батарей для забезпечення потреб навіть невеликої сім'ї. Для 3-4 осіб, що споживають 200 Кв в місяць, потрібно 12-15 кв. метрів батарей);
• досить висока вартість і низька окупність системи.

Використання сонячної енергії в світі

Комплекс сонячних батарей в ГерманииМногие держави всерйоз задумалися про масштабному виробництві і використанні сонячної енергії.

Лідерами з виробництва енергії за допомогою сонячних батарей є США, Японія і Німеччина.

Виробництво сонячної енергії отримує свій розвиток і в Росії.

В даний час в РФ вже побудовано наступну кількість установок з виробництва сонячної енергії:

• Краснодарський край – 46 од.;
• Дагестан – 8 од.;
• Ставропольський край – 2 од.;
• Бурятія, Хабаровський край, Костромська область – по 1 од.

Бурхливий розвиток даної галузі в усьому світі залишає надію на те, що в майбутньому цей невичерпне джерело екологічної енергії стане основним для населення планети.

Дивіться відео, в якому детально розповідається про пристрій і виробництві сонячних панелей: