Солнечные батареи — популярный экологически чистый и безопасный источник электроэнергии. В последнее время эта технология нашла широкое распространение, мотивируя людей к переходу на возобновляемую и доступную энергию, направленную впоследствии на питание промышленной и бытовой техники. Чтобы разобраться в сложном процессе, нужно предварительно узнать, как работает солнечная батарея.
Принцип действия
Описываемое устройство уникально тем, что преобразует световую энергию, получаемую от солнечных лучей, в электроток. В основу таких приборов стандартно заложены фотоэлементы в виде фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей.
Если рассматривать современные модели батарей, работающих от солнца, они различаются по ряду параметров:
- габариты;
- производимая мощность;
- производитель (стоимость).
Отмечено, что описываемые приспособления часто встречаются в конструкциях, которыми человек ежедневно пользуется, начиная от примитивных калькуляторов и заканчивая масштабными электростанциями солнечного типа.
Стоит детальнее разобраться, как устроена солнечная батарея. Во время сборки фотоэлемента на монокристаллическую пластину из кремния наносится тонкий слой из бора и фосфора. В кремниево-фосфорной прослойке образуются свободные электроны. Полоска же с добавлением бора (анод) представлена отсутствующими электронами. Поступление на фотоэлемент кванта света приводит частицы в движение, они перемещаются между слоями. Передвигающиеся электроны высвобождают некое количество энергии, образуя разность потенциалов. Последняя определяется интенсивностью подаваемого света.
Высвобожденная описанным методом энергия должна выводиться из отдельных многочисленных пластин. Для этого на фотоэлектрических преобразователях созданы металлизированные дорожки. Максимальная мощность батареи напрямую зависит от ее площади. Количество вырабатываемого электричества возрастает пропорционально увеличению численности отельных пластин.
Виды преобразующих панелей
Существует несколько видов батарей, отличающихся конструктивными особенностями, процентным соотношением преобразования солнечного света. Они обладают следующими характеристиками:
Панели на основе кремниевых фотоэлементов являются наиболее распространенными, представляют порядка 80% от общего объема создаваемых устройств. Добыча кремния и создание легирующего покрытия является дорогостоящей процедурой, но в настоящее время стоимость таких производственных процессов постепенно уменьшается. Кремний не является редким элементом земной коры. В ближайшем будущем именно батареи, основанные на нем, будут применяться повсюду. Существенный недостаток заключается в небольшом коэффициенте светопоглощения, т. к. кремний относится к непрямозонным полупроводникам. Готовые фотоэлементы в результате имеют увеличенную толщину, а устройство много весит.- Отличительная черта панелей тонкопленочного типа — повышенный в сравнении с предыдущим вариантом коэффициент светопреобразования. Фотоэлементы (прямозонные полупроводники) толщиной всего в пару микрон вырабатывают достаточное количество энергии. Масса обозначенных панелей незначительная, они часто устанавливаются на жилых домах, автомобилях. Основное преимущество тонкопленочных батарей заключается в возможности эффективно функционировать даже в пасмурную погоду.
- Концентраторные модули отличаются самой большой эффективностью (порядка 45%), но их также отличает высокая цена. Конструктивно фотоэлементы представлены одновременно полупроводниками нескольких видов, выстроенных в определенной последовательности. Часто применимая схема представлена дорожкой-полупроводником Ge, верхним слоем GaInP, средним слоем GaAs. Такие пласты расположены особым образом, за счет чего солнечная энергия эффективно усваивается в пасмурную и в ясную погоду. Особенность заключается в сложной сборке концентраторных модулей, требующей максимальной точности.
- Батареи органического типа находятся в разработке, в продаже их невозможно встретить. Их фотоэлементы работают аналогично фотосинтезу растений. На их поверхность нанесен тончайший слой светочувствительной краски.
Фотоэлектрические преобразователи, основанные на монокристаллическом кремнии (эффективность порядка 20%). В этом случае основу фотоэлемента представляет монокристалл из очищенного кремния, выращенный из специального кремниевого сплава. В готовом виде монокристаллы представлены стержнями кубической формы. Далее полученный куб разделяется на пластины не более чем в 180 Мк толщиной. Полученные детали тщательно очищаются, проходят процесс армирования специальным защитным слоем. Поверхность металлизируется, обрабатывается антирефлексивным веществом.- Фотоэлектрические панели, работающие на поликристаллическом кремнии (КПД — около 15%). Этот материал добывается при переработке кремниевого остывшего расплава. Процесс образования рабочих стержней продолжительный, т. к. расплав происходит при низкой температуре, но значительно проще в сравнении с формированием монокристаллов.
- Батареи фотоэлектрического типа на аморфном кремнии (эффективность — 10%). Основной компонент добывается по принципу испарительной фазы, когда пленка из кремния закрепляется на несущем материале, армируется специальным компонентом для обеспечения защиты. Преимущество заключается в производстве панелей масштабных площадей, малой себестоимости. Из отрицательных моментов отмечается незначительный эксплуатационный ресурс, причиной чему служит ускоренная деградация.
Эффективное расположение прибора
Высокая эффективность от эксплуатации батарей на солнечных лучах достигается путем выработки необходимой энергии на протяжении наибольшего количества часов в световой день. Решается поставленная задача посредством правильного расположения описываемых панелей по отношению к траектории солнечных лучей.
Если говорить про распространенное статичное размещение батареи, предполагается ее обращение в восточном направлении с незначительным уклоном. Так солнце на протяжении большей части светового дня будет поступать на фотоэлементы.
Удачным считается изменяемое расположение, когда солнечная батарея закрепляется на подвижной конструкции с целью повышения эффективности энергопреобразования. Такое решение предусматривает изменение угла наклона рабочей поверхности в зависимости от расположения солнечных лучей. К такому решению пользователи приходят нечасто, т. к. эксплуатация привода отличается высокой стоимостью.
Введение в электросеть
Устройство солнечных батарей заключается в преобразовании энергии солнца в электроток. Однако для его использования в бытовых условиях необходима трансформация еще в переменный ток, поступление непосредственно в рабочую электросеть.
Трансформирование получаемого напряжения возможно только при использовании инвертора. Так, на вход подобного приспособления поступает постоянный ток, а на выходе получается переменный, отличающийся необходимой мощностью, оптимальными частотными характеристиками. Принцип работы солнечной батареи заключается также в скоплении электроэнергии свинцово-кислотными аккумуляторами, которыми комплектуются абсолютно все солнечные батареи.
Солнечные батареи смело можно назвать функциональными приборами будущего. Они позволяют экономить расходы на энергию, добывая ее естественным путем, безопасным для окружающей среды.
