История фотовольтаики и создания солнечных батарей. Из чего сделаны солнечные батареиИз чего делают солнечные батареи: изготовление, конструкция, разновидности Содержание:
Область применения солнечных батарейЧеловечество научилось пользоваться солнечной энергией во многих областях своей жизни, но вот какие из них самые интересные:
Устройство и принцип работы солнечных батарейСоставные части солнечной батареи называются фотоэлементами. Соединение между ними параллельное и последовательное, а располагают их на каркасе из материалов, не проводящих электричество. Полупроводники работают благодаря фотогальваническому эффекту, означающему трансформацию лучистой энергии солнца в электричество.
Для изготовления солнечных батарей используют кремний, это второй по распространенности химический элемент на Земле. У него высокая электропроводимость и хорошая способность притягивать солнечные лучи. Однако обычный кремний для данного производства не годится, его преобразовывают в пригодный, по специальной технологии. Изготовление такого кремния – очень дорогой и сложный процесс. Бывают два вида фотоэлектрических преобразователей: на основе монокристаллического и поликристаллического кремния. Их производят по разной технологии. КПД первого равен 17,5%, а второго – менее 15%. Конструкция состоит из отдельных модулей, подключаемых между собой блоками. Устройство солнечной батареи зависит от ее наиболее значимого параметра – полезной мощности. Расчет экономичности всей установки зависит именно от нее. Полезная мощность определяется по напряжению и силе тока на выходе, на которые влияет интенсивность лучей солнца. В итоге электроэнергия переходит на хранение в аккумуляторы и накапливается там. Аккумулятор – это химический источник тока, который заряжается при контакте с потенциалом больше его собственного напряжения. Слабый солнечный свет снижает интенсивность заряда батареи аккумулятора, тогда она отдает энергию электроприемнику. Получается, что аккумуляторная батарея всегда функционирует в режиме разрядки и подзарядки. Следить за этими процессами можно при помощи специального контроллера. Циклический заряд требует постоянного напряжения или постоянного заряда тока. Когда заряд батареи полон, к ней еще подключают резистор, поглощающий избыточную мощность. Изготовление солнечной батареи своими руками
Расчет собственной солнечной электростанции не должен сразу быть грандиозным и масштабным. Достаточно будет в первый раз сделать пробную панель небольшой площади, а потом, используя те же схемы, нарастить на конструкцию остальные элементы.
Добросовестный расчет, качественное оборудование, четкая схема и усидчивость обеспечат долгое функционирование самодельной солнечной батареи для домашних нужд. Недостатки и преимущества источников солнечной энергииУстройство солнечной батареи можно охарактеризовать как с положительной, так и с отрицательной стороны. Плюсы:
Минусы:
Факторы, которые необходимо учитывать при конструировании солнечных батарей:
Подписаться на рассылку Подписатьсяekobatarei.ru Солнечная батарея своими руками [инструкция+схема]Toggle navigation
prostocoin.com Из чего делают солнечные батареи?Из чего делают солнечные батареи? Для тех, кому интересны способы замены привычных электростанций альтернативными источниками энергии, расскажем подробнее о механизме действия солнечных батарей, их составе и производительности. Из чего же, из чего же, из чего же...?В России к солнечным батареям многие люди до сих пор относятся с долей недоверия и даже с некоторой опаской. Между тем в развитых странах Европы и Америки число жителей, заменяющих привычные электростанции альтернативными источниками энергии, чтобы не зависеть от изменений цен на электроэнергию, растет день ото дня. Установка солнечной батареи изрядно опустошит ваш кошелек, но в долгосрочной перспективе затея многократно себя окупает. Солнечная батарея представляет собой набор параллельно и последовательно соединенных полупроводников – фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электричество. Фотоэлементы для солнечных батарей чаще всего производятся на основе кремниевых пластин, которые зарекомендовали себя среди пользователей долголетием и высоким КПД. Срок службы такой пластины может достигать 30 лет, а потеря эффективности за весь срок эксплуатации составляют не более 20 %. Но и стоимость такой пластины в сравнении с конкурентами высока. Приобретение пленочных элементов на основе полимеров обойдется покупателю значительно дешевле, но заменить пришедший в негодность элемент придется быстрее. В таблице 1 представлена краткая сравнительная характеристика существующих элементов солнечных батарей. Таблица 1. Сравнительная характеристика солнечных батарей
Солнечная батарея является основным звеном в процессе переработки солнечной энергии в электрическую. Для создания полноценного источника энергии одной солнечной батареи будет недостаточно, необходимо будет приобрести аккумулятор, инвертор, контроллеры. Прежде чем тратить немалые деньги на покупку и установку подобной системы, рекомендуем вам учесть следующие нюансы:
Если говорить о положительных сторонах применения солнечных батарей, то следует отметить экологичность процесса, доступность сырья (солнечного света) и полную независимость владельца системы от динамики цен на электричество. Теперь, зная о видах батарей, сроке их службы и отличительных особенностях, решить вопрос о выборе наилучшего варианта не составит для вас особого труда. aeteh.ru История солнечных батарейФотовольтаика – это прямое преобразование световой энергии солнца в энергию электрическую. История солнечных батарей берет начало в первой половине XIX века, когда в 1839 году было открыто лежащее в ее основе явление фотоэлектрического эффекта. Но тем не менее с тех пор прошло более ста лет, прежде чем произошло первое преобразование энергии света в электричество. ОткрытиеВпервые с фотоэлектрическим эффектом столкнулся в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель. Он проводил эксперименты с электролитическими элементами, используя платину в качестве электродов – анода и катода.
Измеряя при этом ток, протекающий между электродами, ученый заметил, что при свете его величина незначительно возрастает по сравнению с величиной тока в темноте. Так было открыто явление фотоэлектрического эффекта. Но, хотя открытие и состоялось, практическое применение ему было найдено только через несколько поколений. Фундаментальные исследованияВ 1873 году английский инженер-электрик Смит Уиллоуби, проводя опыты по определению проводимости селена, обнаружил, что при освещении этот проводник изменяет сопротивление. Открытие повлекло за собой целый ряд серьезных исследований по этой тематике.
В 1876 году Уильям Гриллс Адамс вместе со своим учеником Рихардом Эвансом Дэем обнаружили, что селен способен сам вырабатывать электричество, если его осветить достаточно мощным источником света. И хотя селен не пригоден к тому, чтобы вырабатывать электричество достаточной мощности, это исследование показало, что можно получать электроэнергию непосредственно из твердых материалов, без использования тепловой или механической энергии. В 1883 году житель Нью-Йорка Чарльз Фриц создал первый в мире модуль из селеновых элементов. Этот модуль стал предшественником современных модулей фотовольтаики. Однако все фундаментальные работы по исследованию фотоэлектрического эффекта вызывали у многих ученых того времени большое сомнение в серьезности и перспективности этого открытия. В 1884 году Юлий Элстер совместно с Гансом Фридрихом Гайтелем представили большую монографию, посвященную исследованию фотоэффекта. В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц открыл новые свойства элементов, которые он назвал «внешний фотоэффект».
Тщательное исследование этого явления он поручил своему ученику Вильгельму Людвигу Францу Гальваксу. В том же году независимо от Гальвакса итальянский физик Риги Аугусто проводит аналогичные исследования, результаты которых практически совпали с результатами Гальвакса. С 1888 по 1891 год исследованием внешнего фотоэффекта вплотную занимался выдающийся русский ученый Александр Григорьевич Столетов. На основании своих исследований он создал первый в мире фотоэлемент, в основу действия которого был положен внешний фотоэффект. Изучая зависимость силы тока от интенсивности излучения, попадающего на фотокатод, Столетов вывел первый закон фотоэффекта, который получил имя ученого – закон Столетова.
Совместно с Гальваксом в 1889 году было открыто явление старения фотоэлементов – так называемое фотоэлектрическое утомление. Являясь основоположником количественных методов исследования, Столетов дал последующим поколениям ученых мощный инструмент для изучения и углубленного исследования фотоэффекта. Этим инструментом успешно пользовались в дальнейших исследованиях лауреаты Нобелевской премии – немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард и английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1907 году Альберт Эйнштейн разработал теоретическое обоснование фотоэлектрического эффекта. За эту работу Эйнштейну в 1921 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
В 1912 – 1916 годах американский физик Роберт Эндрюс Милликен сумел экспериментально подтвердить теорию Эйнштейна. За это и ряд других работ, связанных с измерением заряда электрона, в 1923 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Следующий важный и логический шаг в развитие полупроводниковой техники и фотовольтаики был сделан в 1916 году польским ученым Яном Чохральским, который открыл процессы кристаллообразования, названные впоследствии его именем.
Дальнейшее развитие его работы получили в сороковые годы ХХ века, а в пятидесятые годы резко возросли потребности в полупроводниковых элементах, которые стали широко применяться в различных сферах техники и радиоэлектроники. ФотоэлементыВ 1934 году проводились исследования с тонкой пленкой оксида меди, которая наносилась на медный анод в качестве полупроводника. Катод в этой электрической цепи также был покрыт полупрозрачной медной пленкой. Работая с такой схемой преобразования энергии света в энергию электрическую, ученые рассчитали, что при горизонтальном расположении пластин в перспективе можно получить мощность порядка 26 ватт на один квадратный метр. В 1940 году Рассел Ол, сотрудник лаборатории Белла, проводил опыты с образцами на кремниевой основе и имеющих различные химические составы. Один образец при охлаждении дал трещину. Его распилили и проводили опыты по уже нерегламентированной программе. И вот здесь Рассел Ол неожиданно обнаружил, что если образец осветить, то электроизмерительные приборы, подключенные в цепь, показывают изменения тока и напряжения. Дальнейшие работы с кремнием уже носили целенаправленный характер. При исследовании кремниевых образцов с различными присадками были выведены общие закономерности, которые в конечном итоге привели к открытию p-n перехода в полупроводниках. В 1948 году была разработана первая концепция полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей на диодах Шоттки. В 1950 году Уильям Брэдфорд Шокли разработал теоретическую модель p-n перехода, создав тем самым базу для разработки современных солнечных батарей. За эту работу в 1956 году Уильяму Шокли была присуждена Нобелевская премия по физике.
В те годы лаборатория Белла в Нью Джерси была одним из самых лучших научно-исследовательских центров в мире. В 1953 году ученые этой лаборатории Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон изготовили первые в мире кристаллические кремниевые солнечные элементы. Каждый из этих элементов имел площадь активной поверхности около двух квадратных сантиметров. Эффективность самых первых фотоэлементов была всего 4%. Вдохновленные полученными результатами ученые продолжали работу над своим творением, и уже вскоре были получены элементы с эффективностью 6%.
25 апреля 1954 года газета «Нью-Йорк Таймс» на первой полосе поместила материал о сенсационном достижении ученых. Через некоторое время была достигнута эффективность 11%, и в 1955 году эти элементы были применены в качестве источника питания для телефонных усилителей. Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов, и вот уже в 1958 году в США, а через два месяца в СССР на орбиту вокруг Земли выводятся спутники, аппаратура которых частично питается от солнечных батарей. Солнечная энергетика с тех пор сделала не один, а много качественных скачков. Сейчас очень трудно найти такую отрасль, где не используются солнечные батареи. От космических станций и мощнейших, в сотни мегаватт электростанций до наручных часов и детских игрушек. Освещение улиц, электроснабжение домов, сельскохозяйственных ферм, электромобили, велосипеды, яхты, самолеты на солнечных батареях – это уже не фантастика, а наша действительность. solarb.ru Конструкция солнечной батареи: из чего она состоитСегодня солнечная энергия используется практически во всех сферах жизни, от зарядки телефонов и питания детских игрушек до энергообеспечения частных (и даже многоквартирных!) домов. Преимущества гелиопанелей уже общеизвестны, а вот конструкция солнечной батареи и многие ее рабочие особенности по-прежнему малознакомы большинству людей. А между тем, в строении и особенностях работы таких устройств нет ничего непостижимого. Как правило, подобные батареи нередко путают с гелиоколлекторами. Это достаточно распространенная ошибка, притом что эти устройства очень непохожи. Общее у них только одно – использование энергии солнца. Но если батареи преобразовывают эту энергию в электричество за счет явления фотоэффекта, то в коллекторах лучи нагревают внутренний жидкий теплоноситель и вырабатывают тепловую энергию. Отсюда и различие в сферах применения: коллекторы устанавливают для подогрева воды (реже - для отопления небольших домов), а батареи – для энергообеспечения домов и подзарядки техники. Что такое «солнечная батарея»Каждая серийная солнечная батарея – это набор соединенных определенным образом кремниевых фотоячеек, помещенных в защитный корпус с прозрачной лицевой частью. Фотоячейки отвечают за преобразование энергии солнца в электричество (иными словами – за выработку фототока), а корпус защищает их от внешних воздействий.
Кроме того, он обязательно снабжается специальными клеммами, через которые солнечные батареи соединяются между собой в гелиополя и подключаются к другому оборудованию (инверторам, аккумуляторам и т.д.). Подобное устройство позволяет и эффективно преобразовывать энергию солнца (с минимально возможными для серийных панелей потерями), и избегать порчи хрупких фотоячеек. ФотоячейкиФотоячейки в серийных солнечных батареях используются кремниевые, причем они бывают трех типов: из поликристаллов, из монокристаллов и из напыленного кремния. Первые два вида представляют собой кристаллические ячейки, они образуются либо при поли-, либо при монокристаллизации кремния. Третий же тип – это тонкопленочная ячейка, которая состоит из напыленного на гибкую тонкую подложку кремниевого слоя. Каждый из этих видов имеет свои особенности и преимущества. Так, у моноячеек самый высокий КПД, гибкие ячейки можно устанавливать на криволинейных поверхностях, а поличейки отличаются более низкой стоимостью при достаточно высокой производительности (хоть и меньшей, чем у монокристаллов). КорпусКонструкция корпуса солнечной батареи включает в себя, помимо самих фотоячеек, несколько элементов:
Причем качество этих составных элементов у разных производителей (особенно – малоизвестных) может сильно отличаться, и зачастую не в лучшую сторону. Поэтому при выборе солнечной батареи репутации производителя нужно уделить особое внимание. Дело в том, что некачественные корпуса очень быстро выходят из строя, в результате чего гелиопанель не сможет выполнять свои функции. Как работают гелиобатареиРаботают все солнечные батареи по одному принципу – фотоэффекту, иными словами, образованию тока под действием солнечных лучей в определенных материалах (полупроводниках с разными примесями). Лучи солнца, попадая на поверхность двухслойной полупроводниковой пластины, передают электронам верхнего слоя дополнительную энергию. В результате этого электроны начинают движение и переходят в нижний, второй слой. Таким образом, слои полупроводников играют роль своеобразных электродов, между которыми возникает ток.
Но подобная конструкция солнечных батарей подразумевает и несколько нюансов. Например, полупроводники должны быть разного типа проводимости (один - так называемого «дырочного», с избытком положительных зарядов, второй – «электронного», с избытком отрицательного заряда). Кроме того, ширина зоны перехода электронов должна быть не больше определенной величины, чтобы электроны могли ее преодолеть. Именно поэтому принцип действия одинаков для всех солнечных ячеек. Подключение и установка фотобатарейПодключение солнечных панелей выполняется по нескольким схемам и зависит от определенных факторов. Соединение отдельных батарейОтдельные батареи соединяются между собой последовательно, параллельно или же последовательно-параллельно. Это позволяет получить гелиополе с нужными параметрами выходных тока и напряжения. Так, при последовательной коммутации увеличивается общее напряжение, при параллельной – сила тока. Смешанное же соединение позволяет гибко подбирать оба этих параметра. Подключение к энергосистеме домаСостав домашней энергосистемы и методика подключения солнечных батарей определяются нуждами потребителей и типом нагрузки. Так, если от гелиопанелей запитывается энергосберегающая нагрузка (12-вольтная), то использовать инвертор не нужно. Дело в том, что солнечные батареи генерируют постоянный ток, который и использует энергосберегающая нагрузка. Обычная же техника потребляет переменный ток, для получения которого понадобится инвертор. Также состав схемы должен включать в себя аккумулятор (если подразумевается потребление солнечной энергии в пасмурные дни или ночью) и контроллер заряда для регулировки этих процессов.
Нюансы установкиМонтируют солнечные батареи главным образом на крышах, хотя возможна и установка на стене здания или отдельно стоящих опорах. Также нужно иметь в виду, что верхние ряды не должны затенять нижние, для чего между ними необходимо выдерживать определенные интервалы. Ориентируют панели преимущественно на юг, а угол их наклона в идеале должен совпадать с географической широтой местности. solarb.ru Солнечные батареиАльтернативная энергетика все шире используется во всех бытовых сферах. Если ранее частные гелиостанции или «солнечные» универсальные зарядки вызывали удивление и недоверие, то сегодня они превратились в привычные атрибуты повседневной жизни. Но несмотря на такую популярность мало кто четко представляет себе, что из себя представляет солнечная батарея и как она все-таки работает. По сути, «солнечная батарея» - это совокупность соединенных между собой пластинок фотоэлементов, заключенная в общий корпус с прозрачной лицевой панелью и вырабатывающая электричество. Это определение полностью отражает и назначение такой батареи, и некоторые особенности ее конструкции. Используют подобные системы исключительно для получения электричества, которое затем расходуется на самые разные цели, от питания телефона до энергообеспечения коттеджа.
Структурные элементыОснова такой конструкции – ячейка фотоэлемента. Солнечная батарея состоит из определенного количества (оно зависит от выходных параметров) фотоячеек, соединенных между собой последовательно или же параллельно. Сама фотоячейка – это полупроводниковая структура, состоящая из двух полупроводников разного типа проводимости. Для серийного производства применяют кремниевые полупроводники, хотя на самом деле спектр используемых материалов гораздо шире. На их основе изготавливают монокристаллические, поликристаллические и гибкие (тонкопленочные) ячейки, которые и генерируют фототок. Второй элемент – корпус. Солнечная батарея имеет защитный корпус, лицевая часть которого полностью прозрачна. Изготавливается она из высокопрочного стекла, способного противостоять всем снего-ветровым нагрузкам. Еще один аспект – стекло должно обладать определенными оптическими характеристиками для максимально полного пропускания поглощаемого спектра. Сам корпус производят из анодированного алюминия, неподверженного коррозии. Расположенные на корпусе коммутационные клеммы (для соединения батарей друг с другом или включения в энергосеть дома) тщательно защищают от проникновения влаги. Особенности работыРаботает солнечная батарея достаточно просто. В основе ее действия лежит фотоэффект, иными словами, способность разноименных полупроводников генерировать ток. На границе между полупроводниками образуется особая область, p-n зона. С одной стороны в ней наблюдается дефицит электронов, с другой – так называемых «дырок», положительно заряженных узлов. Полупроводник поглощает фотоны солнечных лучей, которые передают свою энергию электронам. Электроны под действием полученной энергии начинают движение и образуют направленный поток, он же – фототок.
Размещают полупроводники один над другим, формируя двухуровневую структуру. Если речь идет о кремнии, то используют пластинки с добавлением определенных примесей (примесь бора для формирования избытка электронов, примесь мышьяка для создания избытка «дырок»). Такая солнечная батарея способна генерировать фототок очень долго, единственное условие – наличие света. Солидный срок службы подобных элементов связан с тем, что при их работе отсутствуют какие-либо химические процессы и не происходит разрушения структуры полупроводников. По сути, обе пластины полупроводников играют роль классических электродов. Однако их возможности все же ограничены. Средний КПД серийных батарей составляет порядка 20%, что связано главным образом с тем, что солнечная батарея поглощает далеко не все падающие на ее поверхность фотоны, а только те, энергия которых укладывается в определенные пределы. Виды фотоячеекНа базе кремния изготавливают фотоячейки трех типов. Работают они по одному и тому же принципу, тем не менее, между ними есть определенные различия. Поликристаллические ячейкиИзготавливают их из поликристаллов кремния. Как следствие, такие ячейки имеют неоднородную структуру и чуть хуже поглощают солнечный спектр. Их КПД несколько ниже, чем у ячеек, произведенных из монокристаллов, однако стоят они дешевле. В связи с этим при одинаковой мощности их площадь поверхности будет примерно на 20% больше. Монокристаллические ячейкиДля них характерна однородная, равномерная структура, поскольку получаются они из кремниевых монокристаллов. За счет этого они обладают более высоким КПД. Стоимость их также несколько выше, что связано с более дорогим производственным процессом. Отличительная черта моноячеек – форма квадрата со срезанными углами. Тонкопленочные ячейкиЭти ячейки отличаются гибкой структурой, поскольку представляют собой полупроводниковый слой, напыленный на тонкую подложку. Такая солнечная батарея может устанавливаться не только на ровных, но и на криволинейных поверхностях. В связи с этим тонкопленочные панели востребованы в городской архитектуре. КПД гибких батарей несколько ниже (порядка 10-12%). Соответственно, при аналогичной с кристаллическими изделиями выходной мощности они будут иметь в несколько раз большую площадь. КоммутацияЕстественно, по отдельности фотоячейки не могут вырабатывать мощность и напряжение, достаточные для обеспечения работоспособности техники или энергоснабжения дома. Поэтому их соединяют между собой определенным образом. Чаще всего используют последовательно-параллельное соединение, при помощи которого можно получить точно заданные параметры. Параллельное соединение ячеек между собой позволяет повысить выходной ток, последовательное – напряжение. При помощи же смешанной коммутации оба эти параметра можно регулировать одновременно, добиваясь того, чтобы солнечная батарея выдавала оптимальные параметры. solarb.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Александр Эдмон Беккерель (1820–1891)
Смит Уиллоуби (1828-1891)
Генрих Рудольф Герц (1857–1894)
Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896)
Альберт Эйнштейн (1879 – 1955)
Ян Чохральский (1885 – 1953)
Уильям Шокли (1910 – 1989)
Кэлвин Фуллер (1902 – 1994), Джеральд Пирсон (1905 – 1987), Дэрил Чапин (1906 – 1995)
