Казалось бы, совсем недавно солнечная батарея прочно ассоциировалась с космическими кораблями, орбитальными станциями и луноходами. А сейчас, устройство, способное извлекать электричество из света можно обнаружить в любом калькуляторе. Более того, в богатых солнечным светом странах с жарким летом и мягкой зимой (ученые называют их «страны с высокой инсоляцией»), таких как Италия, Испания, Португалия, южные штаты США и т.д. Солнечная энергетика является заметной статьей экономии средств на электро- и теплоснабжение. Причем экономия эта происходит как по частной инициативе граждан, так и в виде обязательных к выполнению государственных нормативных актов, как например в Испании.
Попытки заставить работать на себя энергию солнца предпринимались человечеством давно, так по легенде Архимед сжег римский флот, приказав сфокусировать множеством зеркал (в другой версии – начищенных до блеска щитов) солнечный свет на парусах римских галер. Но заметные результаты попытки подчинения энергии солнца дали только в прошлом веке. Какие же существуют пути использования солнечной энергии?
Как получить электричество
Самый очевидный путь – это преобразование световой энергии солнца в тепловую. Строго говоря, это даже преобразованием назвать нельзя, ведь свет и тепло имеют одну и ту же природу и отличаются лишь частотой, правильнее будет говорить о сборе тепла. Для сбора солнечного тепла устройства, которые так и называются - («коллектор» буквально означает сборщик). Принцип их действия предельно прост – теплоноситель (вода, реже воздух) нагревается в сделанном из теплопоглощающего материала радиаторе. Такие устройства имеют широкое применение для горячего водоснабжения частных домов.
Другой интересный способ использования энергии ближайшего светила подсказывает нам природа. За миллионы лет эволюции растения научились преобразовывать энергию солнца в энергию химических связей, синтезируя из простых веществ сложное соединение – глюкозу. Тот, кто не прогуливал в школе ботанику, конечно, догадался, что речь идет о фотосинтезе. Но не каждый задумывался об энергетической сущности этого процесса, состоящей как раз в накоплении солнечной энергии и дальнейшего ее использования (в том числе зимой) в «личных» целях. То есть речь идет о биоэнергетике. Реальной, а не той, о которой рассказывают доморощенные маги. Способ использования энергии солнца по такому принципу работы еще только ждет своего применения в рукотворной технике.
Как уже говорилось выше, самый простой способ использования в личных целях энергию солнца – это сбор тепловой энергии. Однако «самый простой» не всегда означает «самый лучший». Дело в том, что тепловая энергия – это, можно сказать, «скоропортящийся продукт». Попробуйте «законсервировать» тепло или передать его на большие расстояния. Скорее всего, затраты перекроют все возможные выгоды. Наиболее удобным для накопления и транспортировки видом энергии является электричество. Его можно без особых проблем собрать в аккумуляторах либо передать по проводам к месту, где оно будет работать, с минимальными потерями. Отсюда следует третий, самый распространенный способ использования солнечного света – преобразование его в электрическую энергию.
Как это работает
Преобразование солнечного света происходит в батареях (то есть последовательно подключенных группах) фотоэлементов, которые подучили название «солнечные батареи». По какому же принципу работают солнечные батареи?
Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. С кремнием (точнее его оксидами) мы встречаемся каждый день – это знакомый нам песок. Таким образом, можно сказать, что кремниевый кристалл – это выращенная в лаборатории гигантская песчинка. Кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).
На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.
Мощность одной пластинки-фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом. Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет.
Важным преимуществом солнечной батареи является то, что она использует свет, а не тепло, поэтому, в отличие от коллектора, солнечная батарея может работать и зимой, лишь бы облачность не закрывала солнечный свет. Существуют проекты строительства огромных полей солнечных батарей в Арктике и Антарктике, которые будут накапливать энергию во время полугодового полярного дня, который на севере наступает летом, а на юге – зимой, то есть две гигантских солнечных электростанции никогда не будут бездействовать одновременно.
Это все в далекой перспективе, а извлечь пользу из свойств солнечной батареи можно уже сегодня, оборудовав свое жилище миниатюрной гелиоэлектростанцией. Такая станция конечно вряд ли сможет полностью удовлетворить потребности хозяйства в электричестве, но, без сомнения, станет чувствительным фактором экономии семейного бюджета.
В последние годы так называемая «альтернативная энергетика» пользуется все большей популярностью. Особое же внимание уделяется использованию излучения солнца. Это вполне закономерно, ведь если создать элемент, который способен преобразовать световые лучи в электричество, можно получить бесплатный неиссякаемый энергоисточник. И такой элемент был создан. Он был назван «солнечным фотоэлементом» или «солнечной батареей», причем как работает солнечная батарея, разобраться довольно просто.
Принцип действия
Главное – не путать фотобатареи с солнечными коллекторами (и те, и другие часто именуют «солнечными панелями»). Если принцип действия коллекторов основан на нагревании теплоносителя, то фотоячейки производят непосредственно электричество. В основе их работы – фотоэлектрический эффект, заключающийся в генерации тока под воздействием солнечных лучей в полупроводниковых материалах.
Полупроводниками же называют вещества, атомы которых либо содержат избыточное количество электронов (n-тип), либо наоборот, испытывают их недостаток (p-тип). А те области структуры p-элементов, где потенциально могли бы находиться электроны, получили название «дырок». Соответственно, фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разными типами проводимости.
Как работают солнечные батареи с такой структурой? Следующим образом. Внутренний слой элемента выполняется из p-полупроводника, внешний, гораздо более тонкий, - из n-полупроводника. На границе слоев возникает так называемая «зона p-n перехода», образовавшаяся за счет формирования объемных положительных зарядов в n-слое и отрицательных – в p-слое.
При этом в зоне перехода возникает определенный энергетический барьер, вызванный разностью потенциалов зарядов. Он препятствует проникновению основных носителей электрозаряда, но свободно пропускает неосновные, причем в противоположных направлениях. Под действием же солнечного света часть фотонов поглощается поверхностью элемента и генерирует дополнительные «дырочно-электронные» пары. То есть электроны и дырки перемещаются из одного полупроводника в другой, передавая им дополнительный отрицательный или положительный заряд. При этом первоначальная разность потенциалов между n- и p-слоем снижается, а во внешней цепи генерируется электроток.
Особенности структуры
Многие современные фотоячейки имеют только один p-n переход. При этом свободно переходящие носители заряда генерируются лишь теми фотонами, энергия которых либо больше, либо равна ширине «запрещенной зоны» на границе перехода. Это означает, что фотоны с более малым запасом энергии попросту не используются, что в свою очередь заметно снижает эффективность ячейки. Для преодоления этого ограничения были созданы многослойные (чаще – четырехслойные) фотоструктуры.
Они позволяют использовать значительно большую часть солнечного спектра и обладают более высокой производительностью. Причем располагают фотоэлементы таким образом, чтобы лучи попадали сначала на переход с самой широкой запрещенной зоной. При этом поглощаются более «энергоемкие» фотоны, фотоны же с меньшим запасом энергии проходят глубже и стимулируют остальные элементы.
А какие бывают солнечные батареи?
Солнечные элементы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, создаются уже давно. Главная трудность при их производстве заключается в подборе материалов, способных генерировать достаточно мощный ток. Первые опыты проводились с селеновыми ячейками, но их эффективность была крайне мала (около 1%). Сейчас в фотоэлементах используется в основном кремний, производительность таких устройств составляет порядка 22%. Кроме того, постоянно разрабатываются новые образцы ячеек (например, с использованием арсенида галлия или индия), имеющих более высокий КПД. Максимальная же эффективность солнечных батарей на сегодняшний день составляет 44,7%.
Но такие элементы очень дороги и пока что производятся только в лабораторных условиях. Широкое же распространение получили ячейки на базе монокристаллического или поликристаллического кремния, а также тонкопленочные элементы. Фотобатареи на монокристаллах стоят дороже, но имеют большую производительность, поликристаллы же более дешевы, но из-за неоднородной структуры менее эффективны. При производстве же тонкопленочных ячеек применяются не кристаллы, а напыленные на гибкую подложку кремниевые слои.
В последнее время активно развиваются технологии получения альтернативной энергии. Это солнечные батареи (СБ), ветровые станции и ряд иных устройств. Особенно перспективными считаются СБ или так называемые фотоэлектрические панели, ведь с учетом почти вечной жизни солнца такая энергия является неисчерпаемой. Несмотря на их пока что сравнительно высокую стоимость, они обеспечивают получение бесплатной и экологически чистой энергии. Тем не менее, цены на СБ год из года снижаются, что свидетельствует о больших перспективах их повсеместного внедрения.
Устройство солнечных батарей
Солнечная батарея представляет систему полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток с применением принципа фотоэффекта.
1 — Контроллер
2 — Батарея
3 — Инвертор
4 — Модуль
5 — Электрооборудование
Солнечная батарея включает в себя следующие элементы:
- , состоящий из двух слоев материалов с различной проводимостью. К примеру, это может быть поликристаллический или монокристаллический кремний с включением иных химических соединений для создания принципа фотоэффекта p-n перехода. То есть, один материал имеет недостаток электронов, а другой – их избыток.
- , тончайший слой элемента, который противостоит переходу электронов.
- . При его подключении к противостоящему слою, запорная зона легко преодолевается электронами. В результате появляется упорядоченное движение зараженных частиц, то есть электрический ток.
- . Обеспечивает накопление и сохранение энергии.
- . Производит преобразование постоянного тока, идущего от солнечной батареи, в переменный.
- . Обеспечивает в системе солнечной батареи создание напряжения необходимого диапазона.
Принцип действия
- Солнечный свет в виде фотонов света попадает на поверхность солнечной батареи.
- При столкновении с поверхностью полупроводника фотоны передают энергию электронам полупроводника.
- Электроны, выбитые из полупроводника вследствие удара, преодолевают защитный слой, имея при себе дополнительную энергию.
- В результате отрицательные электроны переходят в проводник n из p-проводника, а положительные совершают обратный маневр. Подобному переходу способствуют электрические поля, которые на данный момент имеются в проводниках. Впоследствии они увеличивают разность и силу зарядов.
Если батарея, освещенная солнцем, замкнута на определенную нагрузку с сопротивлением R, то наблюдается появление электрического тока I. Его величина определяется сопротивлением нагрузки, интенсивностью освещения и качеством фотоэлектрического преобразователя. Мощность P, выделяемая в нагрузке определяется формулой P= I*U, где U показывает напряжение на зажимах батареи.
Виды
В зависимости от применяемых материалов солнечные батареи могут быть:
- Панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов. Они эффективны, однако более дороги, КПД составляет 14-16%. У монокристаллических элементов многоугольная форма, вследствие чего всю площадь заполнить трудно;
- Панели из аморфного кремния. Такие батареи демонстрируют низкий КПД в пределах 6-8%. Но среди кремниевых технологий преобразователей у них наиболее дешевая электроэнергия;
- Панели из теллурида кадмия выполняются на базе пленочной технологии. Нанесение полупроводникового слоя осуществляется слоем в несколько сотен микрометров. КПД составляет 11%, но в сравнении с кремниевыми батареями ватт мощности обходится дешевле на десятки процентов;
- Панели на базе полупроводников CIGS, которые состоят из селена, галлия, индия и меди. КПД таких панелей доходит до 15%;
- Полимерные панели. Это разновидность тонкопленочных батарей, принцип работы которых напоминает фотосинтез растений. Включает слой полимера, защитный слой, гибкую подложку и алюминиевые электроды. КПД 5-6%;
- Наиболее распространенными вследствие оптимального соотношения КПД и цены являются панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов. Их КПД достигает 12-14%.
СБ также можно условно разбить на следующие типы:
- Тонкопленочные или гибкие (на базе теллурида кадмия, кристаллические и аморфные);
- Жесткие (из кристаллического кремния, иногда аморфного);
- Односторонние (поглощают свет одной стороной);
- Двухсторонние (поглощают свет обеими сторонами).
Особенности
- Заряд аккумуляторной батареи при слабом солнечном свете уменьшается, отдавая электроприемнику электрическую энергию, то есть идет постоянная работа в режиме зарядки и разряда. Контроль выполняется специальным контроллером.
- СБ не требуют никаких специальных профилактических работ. Может потребоваться лишь протирание пыли.
- Панели можно использовать и зимой, однако производительность в этот период уменьшается в полтора-два раза. Чтобы на панелях не накапливается снег, их следует устанавливать под углом 70 градусов на возвышении.
- Солнечные батареи лучше всего подойдут для автономных систем, в которых много бытовых энергоэффективных электроприборов, не включенных постоянно.
Применение
Солнечные батареи могут применяться практически повсеместно:
- Электромобили.
- Портативная электроника.
- Калькуляторы, фонарики, плееры и так далее, то есть везде, где требуется подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники.
- Авиация. Так создан самолет Solar Impulse, работающий только на солнечной энергии.
- Энергообеспечение домов, школ, аэропортов и иных зданий. Солнечные батареи широко используются в субтропических и тропических регионах, где много солнечных дней. В особенности популярны они в странах Средиземноморья.
- Использование в космосе. СБ ставят на МКС, устанавливают на спутниках, космических и межпланетных аппаратах, а также многое другое.
Достоинства и недостатки
Среди преимуществ можно отметить:
- Экологичность;
- Долговечность, фотоэлементы служат несколько десятков лет;
- Простой принцип работы. Благодаря чему поломок в солнечной батарее практически не бывает;
- Бесшумность;
- Возможность постоянной работы;
- Не нужно топлива;
- Общедоступность;
- Возможность изменения мощности системы.
Среди недостатков можно отметить:
- Низкий КПД. Нужна большая площадь батарей, чтобы обеспечить нужды даже небольшой семьи;
- Сложность сборки системы и наладки;
- Достаточно высокая стоимость солнечных батарей, а также низкая окупаемость системы.
Перспективы
Стремление человечества к экологичности и отказу от нефти приведет к внедрению все больших энергосберегающих технологий. Это значит, что солнечные батареи будут использоваться повсеместно. А создание панелей с более высоким КПД позволит:
- Оборудовать большинство зданий панелями для получения энергии;
- Монтировать их в автомобили, дороги, роботы и многочисленные иные приборы;
- Устанавливать их в одежду и даже вживлять в человека. Южнокорейские ученые уже создали подкожную солнечную батарею, которая в 15 раз тоньше волоса. Она обеспечивает бесперебойную работу приборов, которые имплантированы в тело, к примеру, кардиостимулятора.
Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.
Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?
Основные принципы
Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.
Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.
Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.
Панель солнечной батареи
©depositphotos.com
Кремниевые полупроводники
Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.
Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.
Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.
У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.
Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.
Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.
Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.
Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).
Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».
Устройство солнечной батареи
Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.
Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.
Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.
Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.
К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.
Самое большое в мире судно на солнечных батареях PlanetSolar
©PlanetSolar/ Philip Plisson
Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.
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.
