Наиболее важными компонентами фотоэлектрического элемента являются два полупроводниковых слоя, обычно изготовленных из кристаллов кремния. Поскольку кристаллический кремний сам по себе является не очень хорошим проводником электричества, в него намеренно добавляют примеси — этот процесс называется стадией легирования.
Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель
Эффективное преобразование свободных солнечных лучей в энергию, которую можно использовать для питания домов и других объектов, — мечта многих сторонников «зеленой» энергетики.
Однако принцип работы солнечных модулей и их эффективность таковы, что пока нельзя говорить о высокой эффективности таких систем. Было бы неплохо иметь собственный дополнительный источник энергии. Не правда ли? Тем более что сегодня в России большое количество частных домовладений успешно вырабатывают «бесплатную» электроэнергию с помощью солнечных батарей. Еще не знаете, с чего начать?
Далее мы расскажем вам о строении и функционировании солнечных модулей, и вы узнаете, от чего зависит эффективность солнечных систем. Видео в этой статье поможет вам собрать свой собственный солнечный модуль из фотоэлементов.
Солнечные батареи: терминология
В теме «солнечная энергия» существует множество нюансов и путаницы. Новичкам часто трудно разобраться во всех незнакомых терминах. Однако не стоит увлекаться солнечной энергией, покупая оборудование для выработки «солнечного» электричества.
Незнание может привести не только к выбору неправильной солнечной панели, но и к тому, что она перегорит при подключении или не будет вырабатывать достаточно энергии.
Установка солнечных панелей позволяет эффективно использовать бесплатную, но неисчерпаемую энергию солнечных лучей.
Крошечные электростанции, состоящие из солнечных панелей, снабжают электроэнергией обесточенные помещения и дома в районах с нерегулярным электроснабжением.
Эти установки, преобразующие ультрафиолетовое излучение в электричество, занимают очень мало места. Их можно устанавливать на крышах домов, хозяйственных построек, гаражей, павильонов и террас. Их устанавливают на крышах домов, хозяйственных построек, гаражей, беседок, террас и, реже, на открытых пространствах без зданий и насаждений.
Солнечные панели незаменимы для путешественников. Они обеспечивают электричество вдали от источников энергии
Использование солнечной энергии дает возможность значительно сократить расходы на содержание дачных и загородных домов, поскольку экономически целесообразную систему можно легко собрать и установить самостоятельно.
Солнечные модули, установленные на корме лодки, на палубе или в носовой части судна, обеспечивают электроэнергию, необходимую для стабильного соединения с сушей.
Портативная солнечная панель с перезаряжаемым аккумулятором позволяет избежать экстремальных ситуаций вдали от населенных пунктов и гарантирует зарядку мобильных устройств для связи с близкими.
Специально разработанные для походов, легкие и компактные солнечные зарядные устройства обеспечивают энергией телефоны, радиоприемники, планшеты и мультимедийные устройства
Энергия для тех, кто не имеет энергии
Для начала необходимо разобраться в различных типах устройств для получения солнечной энергии. Солнечные панели и солнечные коллекторы — это два принципиально разных устройства. И те, и другие преобразуют энергию солнечных лучей.
Однако в первом случае потребитель получает электричество, а во втором случае тепловая энергия в виде нагретого теплоносителя, то есть солнечных батарей, используется для отопления дома.
Получить максимальную отдачу от солнечной батареи можно только в том случае, если знать, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как их правильно подключить.
Второй нюанс заключается в фактическом значении термина «солнечный модуль». Обычно слово «батарея» используется для обозначения какого-либо накопителя энергии. Или же вспоминается обычный радиатор отопления. С солнечными батареями, однако, ситуация совершенно иная. Сами по себе они ничего не хранят.
Солнечный модуль вырабатывает постоянное электричество. Чтобы преобразовать его в переменный ток (который используется в доме), в цепь необходимо подключить инвертор.
Солнечные панели предназначены только для выработки электроэнергии. Оно, в свою очередь, запасается для питания дома ночью, когда солнце находится за горизонтом, в аккумуляторах, которые дополнительно присутствуют в цепи.
Немного истории
Первые попытки использовать солнечную энергию для выработки электричества относятся к середине двадцатого века. В то время ведущие страны мира пытались построить эффективные тепловые электростанции. Идея тепловой электростанции заключалась в использовании концентрированного солнечного света для нагрева воды в пар, который, в свою очередь, приводил в движение турбины электрогенератора.
Поскольку в такой электростанции использовалась концепция преобразования энергии, эффективность была минимальной. Современные устройства преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество благодаря концепции фотоэлектрического эффекта.
Современный принцип работы солнечного элемента был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, что позволило реализовать принцип солнечного элемента на практике.
Принцип работы
Как уже упоминалось, принцип основан на эффекте полупроводников. Кремний — один из самых эффективных полупроводников, известных человечеству на сегодняшний день.
Когда фотоэлемент (верхняя кремниевая пластина блока преобразования) нагревается, электроны высвобождаются из атомов кремния и затем захватываются атомами нижней пластины. Согласно законам физики, электроны имеют тенденцию возвращаться в исходное положение. Следовательно, электроны движутся от нижней пластины по проводникам (соединительным проводам), высвобождают свою энергию для зарядки батарей и возвращаются на верхнюю пластину.
Эффективность фотоэлектрических элементов, изготовленных с помощью процесса осаждения монокристаллического кремния, гораздо выше, поскольку в этом случае кристаллы кремния имеют меньше поверхностей, благодаря чему электроны могут двигаться по прямой линии.
Кремниевые полупроводники
Давайте рассмотрим процесс донорства электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья оболочка наполовину пуста — в ней только четыре электрона.
Именно это придает кремнию кристаллическую форму; чтобы заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «поделиться» электронами со своими соседями. Однако чистый кристалл кремния является плохим проводником, поскольку почти все его электроны связаны в кристаллической решетке.
Поэтому в солнечных батареях используется не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, то есть с атомами других веществ, встроенных в кремний. В кремнии на миллион атомов приходится только один атом, например, один атом фосфора.
Фосфор имеет пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с соседними атомами кремния, но пятый электрон практически «застрял» в пространстве, не имея связей с соседними атомами.
Когда солнечные лучи попадают на кремний, электроны получают дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы вырвать их из соответствующих атомов. В результате на их месте образуются дыры. Освобожденные электроны перемещаются по кристаллической решетке как носители электрического тока. Когда они встречают очередную «дырку», они заполняют ее.
В чистом кремнии, однако, таких свободных электронов очень мало из-за прочных связей между атомами в кристаллической решетке. В кремнии, легированном фосфором, все совсем по-другому. Для освобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется гораздо меньше энергии.
Большинство этих электронов становятся свободными носителями заряда, которые могут быть эффективно направлены и использованы для выработки электроэнергии. Добавление примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.
Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «отрицательный», из-за отрицательного заряда электронов).
Кремний также обогащают бором, который имеет только три электрона на своей внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от слова «положительный»), который создает свободные положительно заряженные «дырки».
Устройство солнечной батареи
Что происходит, когда вы объединяете полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом случае образуется много свободных электронов, во втором — много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но когда это происходит, оба полупроводника становятся электрически нейтральными.
С другой стороны, когда свободные электроны попадают в p-n полупроводник, область на границе раздела двух веществ становится заряженной и образует барьер, который нелегко преодолеть. На границе p-n-перехода возникает электрическое поле.
Энергии каждого фотона солнечного света обычно достаточно для высвобождения электрона и, соответственно, дополнительной дырки. Если это происходит вблизи p-n-перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку — на p-сторону.
Это еще больше нарушает равновесие, и когда к системе прикладывается внешнее электрическое поле, свободные электроны перетекают на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.
К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, что означает, что большой процент фотонов теряется. Чтобы уменьшить эту потерю, солнечные элементы покрываются антибликовым слоем. Чтобы защитить солнечный модуль от дождя и ветра, его также принято закрывать стеклом.
Эффективность современных солнечных модулей не очень высока. Большинство из них эффективно используют от 12 до 18 % падающего на них солнечного света. Лучшие из них имеют КПД более 40 %.
Солнечная энергия для ЦОД
Серверные фермы потребляют 10 % электроэнергии в мире. Поскольку энергоэффективные сети и возобновляемые источники энергии сегодня внедряются во всех отраслях, центры обработки данных не остаются в стороне. Негативное влияние серверных ферм на окружающую среду уже давно на устах экологов. В результате операторы центров обработки данных пытаются снизить негативное воздействие своих дата-центров, обращаясь к передовым энергосберегающим и «зеленым» технологиям производства электроэнергии, таким как естественное охлаждение и локальные системы возобновляемой энергии.
В странах, где климатические условия позволяют это сделать, можно установить солнечную электростанцию рядом с серверной фермой. Это идеально подходит для серверных ферм, расположенных в тропических или субтропических регионах. Использование солнечных батарей на крыше центра обработки данных не только обеспечивает экологически чистую энергию, но и помогает снизить тепловую нагрузку на здание, поскольку создаваемая ими тень минимизирует количество тепла, поглощаемого крышей. Солнечная электростанция снижает общее воздействие центра обработки данных на окружающую среду и повышает надежность центров обработки данных в районах, где есть перебои с основной электросетью.
Крупномасштабная электростанция на возобновляемых источниках энергии рядом с центром обработки данных Apple в Мейдене, Северная Каролина (США).
Компания Switch начала строительство объекта мощностью 100 МВт вблизи Лас-Вегаса в партнерстве с энергетической компанией Nevada Power. Компания Switch была названа в американских СМИ «разрушителем» рынка коммерческих центров обработки данных и является одним из крупнейших игроков в этой отрасли. Компания строит и поддерживает центры обработки данных — здания и техническую инфраструктуру без собственно компьютерного оборудования — и ее основной моделью взаимодействия с клиентами является совместное размещение.
Крупнейшая в мире солнечная теплоэлектростанция Ivanpah мощностью 400 МВт.
В 2015 году США и Япония начали разработку нового механизма питания центров обработки данных с помощью солнечной энергии. В рамках проекта изучаются новые способы «…использования пучка мощностей на основе солнечной энергии и систем передачи HVDC (постоянный ток высокого напряжения) для распределения солнечной энергии на уровне центров обработки данных. Такое сочетание HVDC и солнечных батарей позволяет создать единую систему резервного питания с экономией капитальных и эксплуатационных затрат».
Интересно
Немецкий архитектор Андре Брозель из компании Rawlemon разработал солнечную батарею в форме движущейся стеклянной сферы. Он называет ее генератором нового поколения, который улавливает максимальное количество лучей, поскольку оснащен датчиками, следящими за солнцем и изменениями погоды, и на 35 % эффективнее обычных солнечных батарей.
В 2015 году японская энергетическая компания Shimizu Corporation объявила о своем намерении построить большую солнечную электростанцию на естественном спутнике нашей планеты — Луне. Электростанция в форме кольца с солнечными батареями будет вращаться вокруг Луны по образцу планеты Сатурн и проводить энергию на Землю. По оценкам корпорации Shimizu, такая солнечная электростанция сможет вырабатывать 13 000 тераватт энергии в год. Стоимость и дата запуска такой космической конструкции пока неизвестны.
Каталонский институт передовой архитектуры разработал солнечную батарею, которая работает на растениях, мхе и почве. Преимущество этой технологии в том, что для изготовления солнечных батарей не используются опасные токсичные материалы или тяжелые металлы. Специальные бактерии используются в крошечных топливных элементах, которые помещаются в почву под корнями растений. Бактерии необходимы для производства дешевой энергии в мини-батареях. Растения поддерживают жизненный цикл бактерий, а вода служит топливом для всей системы. Эта инновационная система может работать и в районах с недостаточным количеством солнечного света, если растения заменить мхом, так как он может расти и в тени.
