0

Солнечная батарея: как это работает?

Особенности работы солнечных батарей

Гелиоэнергетика давно уже перешла из области фантастики в реальность. Возможность преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество и использовать его для бытовых нужд привлекает рачительных хозяев. Для обеспечения дома энергией применяются солнечные коллекторы и батареи. Первые снабжают жилье теплом, вторые - электричеством. Познакомимся с принципом работы и особенностями солнечных батарей.

Многих вводит в заблуждение название оборудования. Пользователи пребывают в уверенности, что оно накапливает энергию, а затем ее отдает. Однако это не так. Термин «батарея» предполагает, что устройство представляет собой совокупность нескольких одинаковых элементов, составляющих единое целое. Именно они преобразуют энергию лучей в электрическую. Для накопления же электроэнергии используются обычные аккумуляторы, которые обязательно присутствуют в схеме.

1

Основа любой батареи – полупроводниковый фотоэлемент, или ФЭП. Различное количество таких деталей соединяется и образует рабочий модуль. Их собирают в массив или в гелиопанель, которую привыкли называть солнечной батареей. Существует множество разновидностей фотоэлементов, однако большинство из них пока еще находится в разработке.

Практически единственный вариант, который выпускает промышленность, - это ФЭПы из кремния. Они представляют собой тонкую пластинку, сложенную из двух пластинок кремния. При этом каждая из них имеет собственные характеристики. Таким образом получается знакомый всем по школьному курсу физики полупроводниковый p-n переход. Когда на элемент попадают фотоны, между его неоднородными слоями появляется вентильная электродвижущая сила. И, как результат, возникает движение электронов и разность потенциалов.

2

Существует две разновидности кремниевых фотоэлементов: поликристаллические и монокристаллические. Их эксплуатационные характеристики разнятся, что объясняется структурой материала. Первые изготавливаются на основе поли- или мультикристаллического кремния, который получается в результате медленного охлаждения расплавленного вещества. Это очень простой и дешевый способ получения кристаллов, но их структура оказывается недостаточно четкой для преобразования энергии. По этой причине максимальный КПД батарей на основе поликристаллов не превышает 15%, зато их стоимость доступна большинству потребителей.

Монокристаллические панели изготавливают из выращенных в искусственных условиях кристаллов чистого кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования таких элементов составляет порядка 22%, но и цена батарей заметно выше.

В продаже можно найти солнечные панели других типов, но они малоэффективны. Это, к примеру, очень недорогие батареи на основе аморфного кремния, КПД которых составляет всего 6-8%. Для получения достаточного количества электроэнергии потребуется большое количество таких батарей.

4

Конкурируют с кремниевыми панелями пленочные преобразователи. Они работают по такому же принципу, но используют принципиально другие полупроводники. Для батарей типа CIGS применяется полупроводник из селена, индия, галлия и меди. Для устройств типа CdTe – теллурид кадмия. На пленку наносится тончайший полупроводниковый слой, что вполне достаточно для функционирования батареи. Эффективность таких панелей пока еще невелика. У CIGS батарей КПД составляет порядка 15%, у CdTe – 11%. Но при этом один произведенный Ватт мощности обходится дешевле, чем для кремниевых аналогов.

Принцип работы полупроводниковой солнечной панели достаточно прост. Когда лучи достигают поверхности фотоэлемента, запускается процесс генерирования пар «электрон-дырка». Постепенно накапливается избыток этих пар и посредством p-n перехода они переносятся во второй слой полупроводника. В цепи возникает напряжение и формируются его полюса: отрицательный на n-слое и положительный на р-слое. Для нормальной работы устройства обязательно требуется аккумулятор, который в данном случае представляет собой внешнюю нагрузку. В результате электроны движутся по замкнутому кругу, а аккумуляторные батареи накапливают заряд.

3

Основная сложность заключается в однопереходности кремниевых элементов. Это означает, что каждый из них способен преобразовывать энергию солнечных лучей только определенного спектра. Этот спектр очень небольшой. По этой причине эффективность ФЭПов низкая, ведь энергия лучей, имеющих другие характеристики, пропадает впустую. В продаже появляются многокаскадные элементы, способные работать с группами лучей разных спектров. Их производительность заметно выше, но и стоимость значительно повышается.

Еще одна сложность в работе солнечных панелей заключается в их нагреве. Неиспользованная ФЭПами энергия трансформируется в тепловую, постепенно разогревая батарею до 50-55 градусов Цельсия. Это очень нежелательно, поскольку эффективность работы фотогальваники падает пропорционально ее нагреву. Поэтому лучше всего солнечные батареи работают в солнечные морозные дни, когда элементы охлаждаются в естественных условиях. 

5

Для максимально эффективной отдачи фотоэлементы объединяют в общую схему. Их соединяют последовательно для увеличения силы тока или параллельно для повышения выходной мощности. Кроме того, на результативность работы панели влияет еще целый ряд факторов: правильность выбранного сопротивления нагрузки, температура фотоэлементов и окружающей среды, мощность потока света, угол падения его лучей. Если все параметры выбраны верно, можно успешно снабжать дом электроэнергией.

---
Инна Ясиновская
Фото: 220-on.ru, 38h.net, titanelectro.com, sww-energy.ru, cdlandia.ru, hqsolarcn.com

Читайте за очки и выигрывайте призы

Лучшие предложения

  • OKC 200 NTR
    OKC 200 NTR

    678 EUR EUR

    Электрические накопительные водонагреватели объёмом 200 литров, предназначенные для навесного монтажа на стену.

  • OKC 160 NTR
    OKC 160 NTR

    609 EUR

    Электрические накопительные водонагреватели объёмом 160 литров, предназначенные для навесного монтажа на стену.

  • OKC 100 NTR
    OKC 100 NTR

    524 EUR

    Электрические накопительные водонагреватели объёмом 100 литров, предназначенные для навесного монтажа на стену.