Как устроена солнечная батарея. Солнечная батарея как устроена


Как работает солнечная батарея?

Солнечный свет не только делает возможной жизнь на Земле, он может со временем также стать и поставщиком большого количества электроэнергии, без которой немыслима современная цивилизация. Использование солнечного света может быть не прямым, а в виде подвода энергии к турбинам.

В этом случае комплект зеркал фокусирует солнечную энергию на теплообменник, который испаряет воду или любую другую жидкость, вырабатывая пар для привода обычной турбины, соединенной с генератором. Однако возможно и прямое преобразование солнечного света в электроэнергию, например, при помощи кремниевых солнечных элементов.

Типичный солнечный элемент состоит из шести слоев. Основание (база) одновременно выполняет роль отрицательного полюса элемента; отражающий слой удерживает свет внутри рабочей части элемента, увеличивая его электрическую эффективность; два слоя обогащенного кремния (N-типа и Р-типа) образуют ядро солнечного элемента. Кремний N-типа имеет свободные отрицательные заряды, а кремний Р-типа — несвязанные положительные заряды. При отсутствии освещения эти заряды скапливаются в зоне контакта слоев; когда на элемент падает солнечный свет, заряды расходятся в стороны. Такое перемещение зарядов создает постоянный ток, если солнечный элемент является частью замкнутой цепи. Сверху кремний защищен прозрачной пленкой, на которой размещен металлический контакт положительного полюса.

Как работает солнечный элемент

Солнечный свет, падающий на элемент солнечной батареи, разделяет положительные и отрицательные заряды, которые аккумулируются в зоне контакта между пластинками кремния Р-типа и N-типа. Это разделение создает напряжение, под действием которого при включении элемента в замкнутую цепь в ней начинает течь электрический ток

Секционные солнечные батареи

Солнечные батареи (рисунок над текстом) вырабатывают постоянный ток, который может быть преобразован на электростанции в переменный. Избыточная электроэнергия, выработанная солнечными элементами, может быть запасена в аккумуляторных батареях для последующего использования.

Солнечные батареи в космосе

Для большинства космических спутников солнечные батареи являются основным источником энергии. Эти батареи (рисунок справа) отличаются от тех, что используются на Земле (рисунок слева). Если батареи, установленные вблизи земной поверхности, нуждаются в защите от дождя и пыли, то те, что функционируют в космосе, должны быть защищены от жесткого космического излучения.

Солнечная теплоэлектростанция

Солнечный свет может снабжать теплотой паротурбинную установку, приводящую во вращение генератор. Комплект зеркал фокусирует солнечный свет на башню-концентратор. Результирующий световой пучок настолько интенсивен, что может превращать натрий в пар. Пары натрия используются для превращения воды в пар, который затем приводит во вращение турбину.

information-technology.ru

Принцип действия или как работают солнечные батареи

Сегодня энергия солнца используется повсюду, от мобильных устройств, до питания домов. Первым вариантом использования солнечной энергии были солнечные коллекторы, однако современные солнечные батареи справляются с этим намного лучше. Принцип работы солнечных батарей не так сложен, как может показаться. После прочтения этой статьи вы узнаете больше о том, как же работает солнечная батарея.

1. Виды солнечных батарей.

Принцип работы солнечной батареи

1.1. Принцип работы солнечной батареи

Для начала нужно уточнить, что современные солнечные батареи бывают 3-х видов:

  • Монокристаллические
  • Поликристаллические
  • Тонкопленочные (аморфные)

Самыми распространенными видами солнечных батарей считаются монокристаллические и поликристаллические батареи. Они обладают достаточно высоким КПД, а так же имеют относительно низкую цену, однако у таких батарей есть недостаток - конструкции с их использованием не обладают гибкостью, которая необходима в некоторых случаях.

Именно в таких случаях используются тонкопленочные солнечные батареи. Толщина активного элемента аморфных солнечных батарей составляет от 0,5 до 1 мкм, тогда как толщина активного элемента в кристаллических батареях 300 мкм.

Светопоглащаемость аморфного кремния в 20 раз больше, чем у кристаллического, однако КПД аморфных солнечных батарей составляет приблизительно 10%, против 15% у поликристаллических, и 17% у монокристаллических.

Невозможно однозначно сказать какие солнечные батареи лучше. Например тонкопленочным солнечным батареям не нужен прямой солнечный свет, тогда как поли и монокристаллические должны находиться именно на улице под прямыми солнечными лучами.

1.2.  Из чего сделана солнечная батарея?

Солнечные батареи обычно изготавливаются из кремния. Однако чистый кремний практически никогда не используют при их производстве. На характеристики солнечных батарей влияют материалы, из которых изготовлены пластины. Для положительного заряда в качестве примеси к кремнию чаще всего используют бор, а для отрицательного – мышьяк.

Так как солнечные батареи работают зимой так же, как и летом – в пластины добавляют специальные примеси, такие как галлий, медь, арсенид, кадмий, теллурид, селен для того, чтобы сделать их менее чувствительными к перепадам температуры. Это делает элементы солнечной батареи зимой более надежными, и снижает риск их поломки.

2. Принцип действия солнечных батарей.

Многие из вас еще в школе проводили опыт, который описывает принцип работы солнечной батареи. Суть опыта в том, что на n-p переход транзистора со спиленной верхней крышкой падает свет, и если подключить вольтметр, то можно зафиксировать ток. Соответственно чем больше площадь n-p перехода, тем больше ток.

Так как атомы в p-слое полупроводника имеют лишние электроны, а в атомах n-слоя наоборот их недостает – то под воздействием лучей света электроны из p-слоя вбиваются и стремятся перейти в n-слой. В солнечной батарее между слоями находится диэлектрик, поэтому электроны проходят через нагрузку (аккумулятор), и только тогда достигают n-слоя.

3. Где используются солнечные батареи?

Наверное, многие впервые встретились с солнечными батареями около 20 лет назад, когда повсюду стали появляться калькуляторы с

фотоэлементами, что позволяло не менять батарейки в них годами. С тех пор солнечные батареи можно встретить где угодно. Ими оснащают дома в солнечных странах, их устанавливают на машины, их встраивают в мобильные телефоны, существует даже беспилотный самолет, который работает за счет одних только солнечных батарей. Существуют так же и солнечные электростанции, которые вырабатывают электричество для целых городов.

В Пекине в честь летней олимпиады был построен стадион, который аккумулирует солнечную энергию в течении дня, а потом тратит ее же на освещение стадиона, поливку газонов, работу телекоммуникационного оборудования.

В настоящее время в данной отрасли ведутся активные исследования. В начале 2013 года компания Sharp разработала солнечную батарею с КПД 44%.

4. Как устроены солнечные батареи: Видео

www.techno-guide.ru

Солнечные батареи, как устроены и их будущее — Очень Интересно

  • Интересные факты
    • TOP рейтинг
    • Возможности человека
    • Факты о еде & напитках
    • Факты о животных
    • Факты о природе
    • Факты о промышленности
    • Факты о профессиях
    • Факты о странах
    • Факты о человеке
  • Практикум
    • Как научиться
    • Как это сделать?
    • Что будет если?
  • Life Hacks
  • Технологии
  • Авто & Мото
    • Советы
  • Дом
    • Интерьер
  • Животные
  • Здоровье
  • Полезные советы
    • Авто / Мото
    • Как выбрать
    • Полезные советы для мужчин
    • Советы по дому
  • Почему?
  • Проект «Взгляд изнутри»

Поиск

  • ruРусский
  • ukУкраїнська
Очень интересноОчень Интересно Очень интересно Очень интересно
  • Интересные факты

ocheninteresno.com

Как устроена солнечная батарея? | Генераторы для каждого

Написано 6 января 2018от generator-prosto.

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.

Солнечная энергия может развязать энергетическую проблему всего мира

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 — солнечные коллекторы («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.

Процесс сбора тепловой энергии происходит в коллекторах

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?

Процесс преобразования солнечного света

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.

Популярные статьи:

Опубликовано в Популярные статьи

generator-prosto.ru

Устройство солнечной батареи и ее принцип действия

Сегодня солнечные модули становятся все более востребованными в самых разных сферах. Из технологической экзотики они давно превратились в надежный источник энергии, почти такой же привычный, как и бытовая электросеть или газовый котел. Но если о преимуществах гелиопанелей знают практически все, то устройство солнечной батареи и принцип ее функционирования далеко не так известны.

Особенности конструкции

По сути, классическая солнечная батарея – это несколько объединенных между собой фотоэлектрических ячеек, помещенных в защитный корпус с прозрачным верхом. Ее главными элементами являются именно фотоячейки, которые преобразуют падающие на них лучи солнца в электричество. В отличие от коллекторов, нагревающих воду и вырабатывающих тепловую энергию, солнечная батарея генерирует непосредственно электричество.

Устройство солнечной батареи

Фотоячейка же представляет собой полупроводниковую структуру (обычно – на базе кремния), состоящую из двух веществ с разным типом проводимости. Сегодня выпускается три вида таких фотоячеек: поликристаллические, монокристаллические и тонкопленочные. Наиболее востребованы модули на монокристаллах, поскольку они отличаются более высокой производительностью за счет однородной структуры.

Защитный корпус же необходим для предохранения хрупких фотоэлементов от негативных факторов. Причем лицевая часть корпуса обязательно выполняется из специального высокопрочного стекла, пропускающего полный спектр солнечного излучения. Такое устройство позволяет преобразовывать в электричество практически все падающие лучи (за исключением некоторых потерь в самих полупроводниках).

Принцип действия

Устройство и принцип работы гелиобатарей основаны на способности полупроводников преобразовывать энергию солнца в электроэнергию. Суть этой способности заключатся в следующем. На границе двух полупроводников под действием солнечного излучения появляются разнозаряженные области (зона p-n перехода). Происходит поглощение солнечных фотонов, энергия которых передается заряженным частицам p-n зоны. Под действием этой энергии частицы приходят в движение и возникает направленный ток, называемый фотоэлектрическим.

Принцип действия солнечных батарей

Располагаются такие полупроводники один над другим, причем если речь идет о кремнии, верхний элемент изготавливается из так называемого n-кремния (отличающегося переизбытком электронов, обычно для этих целей добавляют примеси бора). Нижнюю же пластину изготавливают из p-кремния, в котором создается искусственная нехватка электронов (это достигается введением дополнительных примесей, обычно - мышьяка). На стыке этих пластин, между отрицательно заряженным верхним полупроводником и положительно заряженным нижним, и образуется p-n зона. Под действием лучей электроны начинают перемещаться и появляется фототок. Иными словами, две пластины кремния ведут себя аналогично обычным электродам.

Ограничение КПД солнечных батарей (порядка 20%) связано с тем, что полупроводниками поглощаются не все падающие фотоны, а только те, энергия которых достаточна для выбивания электронов, а значит, и формирования тока.

Соединение солнечных ячеек

Для повышения эффективности системы солнечные фотоячейки соединятся между собой последовательно либо параллельно (обычно эти схемы комбинируются). Причем параллельное соединение позволяет увеличить выходной ток, а последовательное – напряжение. Однако здесь есть несколько нюансов.

Например, чисто последовательное соединение нередко сложно реализовать из-за условий внешней среды и специфических электроэффектов, возникающих в фотоячейках. Дело в том, что в модульных солнечных батареях гелиоячейки располагаются рядами. И затенение отдельных рядов (как полное, так частичное) может привести к появлению обратных токов от освещенных ячеек. В лучшем случае это приведет к ощутимому снижению производительности, в худшем – к полному выходу ячейки из строя.

Поэтому система, которая устроена на базе только последовательного соединения применяется редко. Обычно схемы коммутации комбинируются, а ряды фотоячеек формируются как самостоятельные элементы. Для предотвращения обратных токов в этих случаях применяют специальные схемы распараллеливания. Также широко используются особые системы независимого распределения нагрузок. Принципы действия их основаны на избегании строго фиксированных цепей и переключении ячеек между последовательным и параллельным режимами для компенсации затенений и падений эффективности отдельных модулей.

solarb.ru

Как устроена солнечная батарея

Основа любой солнечной батарейки, или по-научному фотоэлектрической панели – пара полупроводников, фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Чаще всего их делают из кремния. Существуют и другие вещества, пригодные для производства солнечных панелей, но пока ни одна из бескремниевых технологий (кроме технологии с использованием теллурида кадмия) не вышла за пределы лабораторий. Однако исследования в этом направлении не прекращаются, так как кремний – довольно дорогой материал (собственно, это одна из причин относительной дороговизны солнечной энергии).

В зависимости от внутренней структуры кремний бывает трех видов: монокристаллический, который имеет более высокий КПД (15–22%), чуть менее эффективный поликристаллический (12–17%) и специфический аморфный (6–10%).

Выходной ток солнечной батареи зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больше электричества генерируют солнечные элементы. Понятно, что в пасмурную погоду их мощность существенно снижается.

Из чего это состоит

Как и любые элементы в электрической цепи, отдельные солнечные элементы можно соединять последовательно или параллельно. В первом случае вы получите более высокое выходное напряжение, во втором – выходной ток. Чаще всего используют комбинацию двух типов соединения. На каждой панели есть по четыре диода. Они нужны для того, чтобы батарея не нагревалась, потребляя ток и разряжая тем самым аккумулятор.

Как это работает

Но как же кремний генерирует ток? Здесь действуют обычные законы физики, известные всем со школьной скамьи. Под действием солнечного излучения на границе двух полупроводников появляются разнозаряженные области. В одной кремниевой пластине наблюдается переизбыток электронов, а в другой электронов, наоборот, не хватает. Полупроводники поглощают фотоны солнечного света и передают их энергию заряженным частицам переходной зоны. Под действием этой энергии частицы приходят в движение и возникает направленный ток. Этот механизм можно сравнить с тем, что происходит между двумя разнозаряженными электродами. Разница только в том, что полупроводники поглощают не все падающие фотоны, а только те, энергия которых достаточна для выбивания электронов, то есть для создания тока.

Сгенерированный ток передается на аккумулятор, который сохраняет полученную электроэнергию. При этом число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы напряжение, подводимое к аккумулятору, немного превышало его собственное напряжение в цепи, а ток батареи обеспечивал требуемую величину заряда. Так, для зарядки 12-вольтовой аккумуляторной батареи нужно использовать солнечную батарею, состоящую из 36 элементов.

peretok.ru