Принцип роботи: Сонячні батареї



     Ми часто пишемо про різні види альтернативної енергетики, в тому числі про сонячну. Цією статтею розпочинається цикл статей про принципи роботи різних пристроїв, які працюють на відновлюваній енергії. І перше що буде розглянуто - сонячні батареї. Сонячна енергія в останній час використовується всюди: в природному освітленні приміщень, нагрівання води, сушіння і іноді навіть в приготуванні їжі. Однак найважливішим використанням енергії сонця є, мабуть, генерація електрики. І головний елемент такої генерації - сонячна батарея!


Будова сонячних батарей


     Сонячна батарея складається з фотоелементів, сполучених послідовно і паралельно. Всі фотоелементи розташовуються на каркасі з непровідних матеріалів. така конфігурація дозволяє збирати сонячні батареї необхідних характеристик (струму і напруги). Крім того, це дозволяє замінювати вийшли з ладу фотоелементи простою заміною.


Принцип роботи

     Принцип роботи фотоелементів з яких складається сонячна батарея заснований на фотогальванічному ефекті. Цей ефект спостерігав ще Олександр Едмонд Беккерель в 1839 році. Згодом роботи Ейнштейна в області фотоефекту дозволили описати явище кількісно. Досліди Беккереля показали, що променисту енергію сонця можна трансформувати в електрику за допомогою спеціальних напівпровідників, які пізніше отримали назву фотоелементи.


     Взагалі такий спосіб отримання електрики повинен бути найбільш ефективним, тому що є одноступінчастим. У порівнянні з іншою технологією перетворення сонячної енергії через термодинамічний перехід (Промені -> Нагрівання води -> Пар -> Обертання турбіни -> Електрика), менше енергії втрачається на переходи.


Будова фотоелемента


     Фотоелемент на основі напівпровідників складається з двох шарів з різною провідністю. До верствам з різних сторін підпоюють контакти, які використовуються для підключення до зовнішнього ланцюга. Роль катода відіграє шар з n-провідністю (електронна провідність), роль анода - p-шар (діркова провідність).


     Ток в n-шару створюється рух електронів, які «вибиваються» при попаданні на них світла за рахунок фотоефекту. Струм в p-шарі створюється «рухом дірок». «Дірка» - атом, який втратив електрон, відповідно, перескакування електронів з «дірки» на «дірку» створює «рух» дірок, хоча в просторі самі «Дірки» звичайно не рухаються.


     На стику шарів з n-і p-провідністю створюється pn-перехід. Виходить свого роду діод, який може створювати різницю потенціалів за рахунок потрапляння променів світла.


Фізичний механізм дії

     Коли промені світла потрапляють на n-шар, за рахунок фотоефекту утворюються вільні електрони. Крім цього, вони отримують додаткову енергію і здатні «перестрибнути» через потенційний бар'єр p-n-переходу. Концентрація електронів і дірок змінюється і утворюється різниця потенціалів. Якщо замкнути зовнішній ланцюг через неї почне текти струм.


     Різниця потенціалів (а відповідно і ЕРС) яку може створювати фотоелемент залежить від багатьох факторів: інтенсивності сонячного випромінювання, площі фотоелемента, ККД конструкції, температури (при нагріванні провідність падає).


З чого роблять фотоелементи?


     фотоелемент з'явився в 1883 році в лабораторії Чарьза Фріттса. Він був виготовлений з селену, покритого золотом. На жаль, але такий набір матеріалів показав невисокі результати - близько 1% ККД.


     Революція у використанні фотоелементів сталася тоді, коли в надрах лабораторії компанії «Bell Telephone» був створений перший елемент на кремнії. Компанія потребувала джерела електроенергії для телефонних станцій, і, можна сказати, була першою компанією, яка використала альтернативне джерело на сонячній енергії.


     Кремній до сих пір залишається основних матеріалом для виробництва фотоелементів. Взагалі кремній (Silicium, Silicon) - другий за поширеністю елемент на Землі, запаси його величезні. Однак в промисловому його використанні є одна велика проблема - його очищення. Процес цей дуже трудомісткий і витратний, тому чистий кремній коштує дорого. Зараз ведеться пошук аналогів, які б не поступалися кремнію по ККД. перспективними вважаються сполуки міді, індію, селену, галію і кадмію, а також органічні фотоелементи.


Сонячні батареї (Складання)


     Однак різниця потенціалів, створювана одним фотоелементом, мала для промислового застосування. Щоб мати можливість використовувати сонячні елементи для електроживлення пристроїв, їх з'єднують разом. Тим самим виходять сонячні батарей (сонячні збірки, сонячні модулі). Крім того, фотоелементи покривають різними захисними шарами зі скла, пластмаси, різних плівок. Це роблять для того, щоб захистити крихкий елемент.


     Основною робочою характеристикою сонячної батареї є пікова потужність, яку висловлюють у Ватах (Вт, W). Ця характеристика показує вихідну потужність батареї в оптимальних умовах: сонячному випромінюванні 1 кВт/м2, температурі навколишнього середовища 25 °C, сонячному спектрі шириною 45° (АМ1, 5). У звичайних умовах досягти таких показників вдається вкрай рідко, освітленість нижче, а модуль нагрівається вище (до 60-70 градусів).


     Поєднуючи фотоелементи послідовно ми підвищуємо різницю потенціалів, поєднуючи паралельно - струм. Таким чином комбінуючи з'єднання можна домогтися необхідних параметрів по струму і напрузі, а отже і по потужності. Крім того, послідовно або паралельно можна з'єднувати не тільки фотоелементи в рамках однієї сонячної батареї, але і сонячні батареї в цілому.