Содержание
Солнечная энергетика
Главная
- Солнечная энергетика
Солнечная энергия
Мы можем использовать энергию солнца для разных целей. Одна из них — это выработка электрической энергии. При использовании солнечных батарей энергия солнца напрямую преобразуется в электрическую. Этот процесс называется фотоэлектрический эффект. Использование солнечного электричества имеет много преимуществ. Это чистый, тихий и надежный источник энергии. Впервые фотоэлектрические батареи были использованы в космосе на спутниках. Сегодня солнечное электричество широко используется во многих областях. В удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения, солнечные батареи используются для электроснабжения отдельных домов, для подъема воды и охлаждения лекарств. Эти системы зачастую используют аккумуляторные батареи для хранения выработанной днем электроэнергии.
Кроме того, калькуляторы, телекоммуникационные системы, буи и т.д. работают от солнечного электричества.
Другая область применения — это электроснабжение домов, офисов и других зданий в местах, где есть централизованная сеть электроснабжения. В последние годы именно это применение обеспечивает около 90% рынка солнечных модулей. В подавляющем большинстве случаев солнечные батареи работают параллельно с сетью, и генерируют экологически чистое электричество для сетей централизованного электроснабжения. Во многих странах существуют специальные механизмы поддержки солнечной энергетики, такие как специальные повышенные тарифы для поставки электроэнергии от солнечных батарей в сеть, налоговые льготы, льготы при получении кредитов на покупку оборудования и т.п. На этапе становления фотоэнергетики такие механизмы действовали в Европе, США. Японии, Китае, Индии и других странах.
Солнечные модули или панели состоят из нескольких компонентов, основным из которых является фотоэлектрический или солнечный элемент.
Фотоэлектрические преобразователи (в литературе часто встречается и другое определение – солнечные элементы от английского solar cells) – полупроводниковые устройства, преобразующие энергию солнечного излучения (солнечную радиацию) в электрический ток. Существует множество способов преобразования солнечной энергии в электрическую, при этом технологически они могут очень сильно отличаться – как физическими принципами, так и технической реализацией. Наиболее эффективными – как с точки зрения организации производства, так и экономической энергетической целесообразности, являются устройства, использующие для преобразования солнечной энергии фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи (ФЭП), чьим главным преимуществом является одноступенчатый прямой переход энергии. Анализируя современный рынок коммерческих систем наземной установки, следует отметить, что подавляющая доля (порядка 80-85% от всего объема мирового рынка) приходится на кристаллические кремниевые элементы. Гораздо меньший процент составляют тонкопленочные солнечные элементы (например, CdTe) – порядка 10%.
Именно поэтому, ниже мы рассмотрим производство кристаллических кремниевых фотопреобразователей, как наиболее востребованный рынком альтернативной энергетики компонент солнечных батарей.
Принцип преобразования солнечной энергии в электричество
В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м2. А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м2. Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.
Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (рис. 2), диаметром 125 мм, и имя ему — фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?
Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект.
Фотоэффект — это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.
В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = h∙ν(аш ню), где h — постоянная Планка, равная 6,626 × 10-34 Дж∙с, ν — частота фотона. Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который, путем обобщения полученных результатов, установил следующие три закона фотоэффекта:
- При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.
- Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.
- Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины, называемой красной границей.
Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законы фотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:
где: h∙ν – энергия фотона, А – работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества. Таким образом, получается, что частица света – фотон — поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию ½m∙v2 и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться.
А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила – Э.Д.С.
За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.
Возвращаясь из прошлого в наши дни, мы видим, что «сердцем» Солнечной батареи является ФЭП (полупроводниковый фотоэлемент), в котором осуществляется удивительное чудо природы – Вентильный фотоэффект (ВФЭ). Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света. ВФЭ, или фотоэффект в запирающем слое, — явление, при котором электроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник).
Полупроводники — это материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт [эВ]. Ширина запрещенной зоны — это разность энергий электронов в кристалле полупроводника между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны полупроводника.
К числу полупроводников относятся многие химические элементы: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Кремнию суждено было стать материалом для солнечной энергетики благодаря его широкому распространению в природе, легкость, подходящая ширина «запрещенной зоны» 1,12 эВ для поглощения энергии солнечного света. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 90% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка).
Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является p-n переход.
В упрощенном виде ФЭП можно представить в виде «бутерброда»: он состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода.
Одним из главных свойств p-n перехода является его способность быть энергетическим барьером для носителей тока, то есть пропускать их только в одном направлении. Именно на этом эффекте и базируется генерация электрического тока в солнечных элементах. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разным знаком — электроны (n) и дырки (p). Благодаря своим свойствам p-n переход «разделяет» их, пропуская каждый тип только на «свою» половину, и хаотически двигающиеся в объеме элемента носители заряда оказываются по разные стороны барьера, после чего могут быть переданы во внешнюю цепь для создания напряжения на нагрузке и электрического тока в замкнутой цепи, подключенной к солнечному элементу.
Так же Вы можете ознакомиться с теорией преобразования энергии Ветра в электрическую энергию используя ветрогенераторы.
Как работает солнечная энергия?
Солнечная энергия работает путем преобразования энергии солнца в электричество. Есть две формы энергии, вырабатываемой солнцем для нашего использования – электричество и тепло.
И то, и другое генерируется за счет использования солнечных панелей, размеры которых варьируются от крыш жилых домов до «солнечных ферм», раскинувшихся на акрах сельской земли.
Является ли солнечная энергия чистым источником энергии?
Да, солнечная энергия является возобновляемым и бесконечным источником энергии, который не создает вредных выбросы парниковых газов – пока светит солнце, будет выделяться энергия.
Углеродный след солнечных панелей уже довольно мал, так как они служат более 25 лет без потери эффективности. А материалы, используемые в панелях, все чаще перерабатываются, поэтому углеродный след будет продолжать сокращаться.
Когда была открыта солнечная энергия?
Солнечная энергия использовалась людьми еще в 7 веке до нашей эры, когда люди использовали солнечный свет для разжигания огня, отражая солнечные лучи на блестящие предметы.
Позднее, в 39 г.0018 rd века до нашей эры, греки и римляне использовали солнечную энергию с зеркалами, чтобы зажигать факелы для религиозных церемоний.
В 1839 году, в возрасте всего 19 лет, французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический (PV) эффект, экспериментируя с ячейкой из металлических электродов в проводящем растворе. Он отметил, что ячейка производила больше электричества, когда подвергалась воздействию света — это была фотогальваническая ячейка.
В 1954 году зародилась фотоэлектрическая технология, когда Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон разработали кремниевый фотоэлемент в Bell Labs в 19 году.54 — первый солнечный элемент, способный поглощать и преобразовывать достаточное количество солнечной энергии в энергию для работы повседневного электрооборудования.
Сегодня спутники, космические корабли, вращающиеся вокруг Земли, питаются от солнечной энергии.
Как именно производится электричество из солнечной энергии?
Солнечные панели обычно изготавливаются из кремния, установленного в металлическом каркасе панели со стеклянным корпусом.
Когда фотоны или частицы света попадают на тонкий слой кремния в верхней части солнечной панели, они выбивают электроны из атомов кремния.
Этот фотоэлектрический заряд создает электрический ток (в частности, постоянный ток или постоянный ток), который улавливается проводкой в солнечных панелях. Это электричество постоянного тока затем преобразуется инвертором в переменный ток (AC). Переменный ток — это тип электрического тока, используемый при подключении приборов к обычным настенным розеткам.
В чем разница между солнечными фотоэлектрическими панелями и солнечными тепловыми панелями?
Солнечные фотоэлектрические панели вырабатывают электроэнергию, как описано выше, а солнечные тепловые панели вырабатывают тепло. Хотя источник энергии один и тот же — солнце — технологии в каждой системе разные.
Солнечная фотоэлектрическая энергия основана на фотогальваническом эффекте, при котором фотон (основная единица света) сталкивается с поверхностью полупроводника, такой как кремний, и вызывает высвобождение электрона.
Солнечная тепловая энергия менее сложна и представляет собой прямое нагревание воды (или других жидкостей) солнечным светом. Для бытового использования солнечные тепловые панели также устанавливаются на крыше, обращенной к солнцу, нагревают воду, хранящуюся в баке с горячей водой, и таким образом обеспечивают горячее водоснабжение и отопление. В более широком масштабе солнечная тепловая энергия также может использоваться на электростанциях.
Что такое солнечные фермы?
Солнечные фермы, также известные как солнечные парки или солнечные поля, представляют собой большие участки земли, содержащие взаимосвязанные солнечные панели, расположенные вместе на многих акрах, для одновременного сбора большого количества солнечной энергии. Солнечные фермы предназначены для крупномасштабного производства солнечной энергии, которая подается непосредственно в сеть, в отличие от отдельных солнечных панелей, которые обычно питают один дом или здание.
Можно ли вырабатывать солнечную энергию в пасмурный день?
Да, может — солнечной энергии требуется лишь некоторый уровень дневного света, чтобы использовать солнечную энергию.
Тем не менее, скорость, с которой солнечные панели вырабатывают электроэнергию, зависит от количества прямого солнечного света и качества, размера, количества и местоположения используемых панелей.
Кто является крупнейшим производителем солнечной энергии в мире?
Китай является крупнейшим производителем солнечной энергии в мире , произведя 261 659 ГВтч в 2020 году. США занимают второе место, производя 119329 ГВтч в том же году, за ней следуют Япония, Индия и Германия.
Текущий рекорд пиковой выработки солнечной электроэнергии, зарегистрированный нашим Национальным центром управления электроэнергией в Великобритании, составляет 9680 МВт на 20 апреля 2020 года — этого достаточно, чтобы вскипятить пять миллионов чайников!
Что мы делаем, чтобы увеличить количество солнечной энергии в сети в Великобритании?
Национальная электросеть ESO готовит британскую электроэнергетическую систему к тому, чтобы к 2025 году она могла работать на электроэнергии с нулевым выбросом углерода, готовой приспособить любое количество возобновляемой электроэнергии, включая солнечную энергию.
Чтобы поставлять в сеть постоянно увеличивающееся количество возобновляемой энергии и снижать затраты для клиентов, они работают над решением двух взаимосвязанных задач: обеспечение баланса спроса на электроэнергию за счет вырабатываемой электроэнергии и обновление основ электроснабжения. система. Электричество исторически зависело от ископаемого топлива, поэтому они разрабатывают новые подходы и внедряют новые технологии.
В недавнем успешном тесте , как часть 9В рамках проекта 0009 Power Potential инверторы на солнечной электростанции были модернизированы таким образом, чтобы, помимо обеспечения электроэнергией в солнечный день, электростанция могла также обеспечивать использование в ночное время, сглаживая колебания напряжения и поддерживая стабильность сети.
Солнечная энергия также играет роль в обеспечении частотной характеристики, одного из инструментов балансировки, которые ESO использует для поддержания баланса системы электроснабжения.
В ходе недавнего судебного разбирательства был заключен контракт, полностью заключенный с домашними пользователями, что позволяет им получать оплату за экспорт своей избыточной энергии в сеть и одновременно помогает сбалансировать спрос и предложение с более чистой, децентрализованной энергией.
Ознакомьтесь с нашими обязательствами по защите окружающей среды
Объяснение дополнительных источников энергии
Как работает ветряная турбина?
Фотоэлектрические элементы 101: основные сведения о солнечных фотоэлектрических элементах
Управление технологий солнечной энергетики
3 декабря 2019 г.
Вы видели их на крышах, в полях, вдоль дорог, и вы увидите их еще больше: Солнечные фотоэлектрические (PV) установки растут по всей стране, но как они превращают солнечный свет в энергию? Простой ответ: с полупроводниками. Конечно, это еще не все.
Понимание того, как работают солнечные элементы, является основой для понимания проектов исследований и разработок, финансируемых Управлением технологий солнечной энергии Министерства энергетики США (SETO) для продвижения фотоэлектрических технологий.
За последние 20 лет фотоэлектрические технологии добились быстрого прогресса, обеспечив более высокую эффективность, повышенную долговечность и более низкие затраты.
Но прежде чем мы объясним, как работают солнечные элементы, знайте, что солнечные элементы , соединенные вместе, составляют модуль , а когда модули соединены, они образуют 9Солнечная система 0009 или установка . Типичная солнечная система на крыше жилого дома состоит из примерно 30 модулей.
Теперь мы можем перейти к делу.
Как работает солнечная батарея
Солнечные батареи содержат материал, который проводит электричество только тогда, когда энергия поступает — в данном случае от солнечного света. Этот материал называется полупроводником; «полу» означает, что его электропроводность меньше, чем у металла, но больше, чем у изолятора. Когда полупроводник подвергается воздействию солнечного света, он поглощает свет, передавая энергию отрицательно заряженным частицам, называемым электронами.
Электроны проходят через полупроводник в виде электрического тока, потому что другие слои фотоэлемента предназначены для извлечения тока из полупроводника. Затем ток проходит через металлические контакты — сеткообразные линии на солнечном элементе — прежде чем попасть в инвертор. Инвертор преобразует постоянный ток (DC) в переменный ток (AC), который течет в электрическую сеть и, в конечном итоге, подключается к электрической сети вашего дома. Пока солнечный свет продолжает достигать модуля и цепь подключена, электричество будет продолжать генерироваться.
Способность модуля преобразовывать солнечный свет в электричество зависит от полупроводника. В лаборатории эта способность называется эффективностью фотоэлектрического преобразования. Снаружи условия окружающей среды, такие как жара, грязь и тень, могут снизить эффективность преобразования наряду с другими факторами. Но исследователи придумывают решения, такие как задние листы, которые помещаются на панели для снижения их рабочей температуры, и новые конструкции ячеек, которые улавливают больше света.
Улавливание большего количества света в течение дня увеличивает выход энергии или выход электроэнергии фотоэлектрической системы с течением времени. Чтобы повысить выход энергии, исследователи и производители рассматривают двусторонние солнечные элементы, которые улавливают свет с 9 сторон.0122 обе стороны кремниевого солнечного модуля — они улавливают свет, отраженный от земли или крыши, где установлены панели. До сих пор не принято решение о том, как двусторонние системы повлияют на выработку энергии в системе, но некоторые проекты, финансируемые SETO, работают над уменьшением этой неопределенности путем установления базовых показателей для количественной оценки и моделирования двусторонней эффективности.
Кремний: лидер рынка
Основным полупроводником, используемым в солнечных элементах, не говоря уже о большей части электроники, является кремний, распространенный элемент. На самом деле он находится в песке, поэтому он недорогой, но его необходимо очистить в химическом процессе, прежде чем его можно будет превратить в кристаллический кремний и проводить электричество.