Солнечных батарей устройство: Как устроены и работают солнечные батареи

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Автор текста: Андрей Повный. Текст впервые опубликован на сайте Electrik.info. Перепечатано с согласия редакции.

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

Солнечные батареи: как это работает

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.

История создания

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

 

Принцип работы

Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.

Схема работы фотоэлемента

Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.

Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.

Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов

Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).

На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей

 

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.

Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.

«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

 

Крупнейшие производители

Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.

Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения

Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.

Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.

Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech

 

Выводы

Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.

Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».

Солнечные батареи: принцип работы, как сделать своими руками в домашних условиях

Использование солнечной энергии для обеспечения жизненных потребностей в 21 веке является актуальным вопросом не только для корпораций, но и для населения. Теперь использование солнечных батарей для получения экологической электроэнергии привлекает много людей своей доступностью, автономностью, неиссякаемостью и минимальными вложениями. Теперь эти явления настолько привычны и обыденны, что уже давно прочно обосновались в нашу каждодневную жизнь.

Данный источник электроэнергии используется для освещения, функционирования бытовых электроприборов и отопления. Уличные фонари на солнечных батареях используются повсеместно в городской черте, на дачных участках и территориях загородных коттеджей.

Содержание

Принцип работы солнечной батареи

Устройство предназначено для непосредственного преобразования лучей солнца в электричество. Этот действие называется фотоэлектрическим эффектом. Полупроводники (кремневые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев n-слой (-) и р-слой (+). Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Это заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электричество, которое накапливается в аккумуляторе.

Как работает солнечная батарея, во многом зависит от ее устройства. Первоначально фотоэлементы изготавливались из кремния. Они и сейчас очень популярны, но поскольку процесс очистки кремния достаточно трудоемок и затратен, разрабатываются модели с альтернативными фотоэлементами из соединений кадмия, меди, галлия и индия, но они менее производительны.

КПД солнечных батарей с развитием технологий вырос. На сегодняшний день это показатель возрос от одного процента, который регистрировался в начале столетия, до более двадцати процентов. Это позволяет в наши дни использовать панели не только для обеспечения бытовых нужд, но и производственных.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

• Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;

• Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;

• Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Установка солнечных батарей

Если конструкции будут использоваться для электрообеспечения жилых пространств, то место установки следует выбирать тщательно. Если панели будут загорожены высотными зданиями или деревьями, то трудно будет получить необходимую энергию. Их необходимо разместить там, где поток солнечных лучей максимален, то есть на южную сторону. Конструкцию лучше установить под наклоном, угол которого равен географической широте месторасположения системы.

Солнечные панели должны размещаться таким образом, чтобы хозяин имел возможность периодически очищать поверхность от пыли и грязи или снега, поскольку это приводит к более низкой способности выработки энергии.

Солнечная батарея своими руками

Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.

Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.

Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут. Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели. В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.

Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом. Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты. Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.

Современные устройства со встроенными солнечными модулями

• Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.

• Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.

• Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.

Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.

Как работает солнечная батарея и и её устройство

Солнечные батареи стали популярным альтернативным источником электроэнергии. Преобразующие устройства позволяют заметно ее удешевить, обеспечивают бесперебойное снабжение ресурсом объектов, поэтому активно применяются в частных домовладениях, фермерских хозяйствах, коммерческих организациях и в промышленности.

Мы рассматриваем уникальную разработку человечества, и, конечно, хотелось бы узнать историю. Началось все в далеком 1839 г. Тогда Александр Беккерель открыл возможность преобразования света солнца в электроэнергию. Ученый представил первый прототип современной солнечной батареи. К сожалению, ввиду несовершенства устройство отличалось низким КПД – 1%. Но труды над развитием и совершенствованием идеи продолжились.

В 1873 г. ученый Чарльз Фриттс выявил чувствительность селена к свету. Через четыре года удалось отметить, что вещество под действием лучей солнца вырабатывает электрический ток. Еще через три года создали первый солнечный элемент. Для изготовления применили покрытый золотом селен. Производительность также составила 1%.

Несмотря на малую производительность, Фриттс считал свою разработку эволюционной. Ученый настаивал на том, что энергию солнца целесообразно использовать как способ получения электричества. Фриттс предсказал, что со временем солнечные батареи заменят электростанции.

В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил суть фотоэффекта. После обоснованного разъяснения появились надежды на изготовление солнечных батарей с производительностью, значительно превышающей ранее представленные показатели. Но прогресс не оправдал ожиданий.

Первый прорыв в разработках состоялся в 1954 г. Тогда Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер изготовили кремниевый солнечный элемент. Производительность составила 4%. Кремний оказался лучше селена по уровню продуктивности. После производительность изделия повысили до 15%. 

Использовать солнечные батареи начали в сельских районах, где были проблемы с инженерными коммуникациями. Сегодня разработка получила масштабное распространение, успешно применяется в развитых странах мира с целью получения дешевой электроэнергии.

Основные термины

Чтобы разбираться в теме было проще, внимательно изучите используемые в данной области термины. Они помогут улучшить понимание материала, упростить выбор оборудования при планировании покупки. К основным терминам отнесем:

• солнечная энергетика – направление альтернативной энергетики, базирующееся на применении лучей солнца для получения энергии;
• солнечная батарея – главный элемент. Это конструкция из последовательно или параллельно соединенных модулей;
• солнечные модули – фотоэлектрические элементы, объединенные в блок;
• фотоэлемент – главный компонент, используемый для создания батарей. Он преобразует энергию фотонов в электрическую;
• монтажная шина – плоский луженый проводник, изготовленный из меди, используемый для соединения фотоэлектрических элементов методом спаивания;
• ПЭТ или полиэтилентерефталатная пленка. Используется для защиты тыльной стороны фотомодуля;
• пикочасы – время, за которое модуль способен принять освещенность, равную 1000 Вт/м²;
• монокристаллический кремний – кремний, производимый методом Чохральского, цилиндрические слитки;
• поликристаллический кремний – кремний, производимый методом направленной кристаллизации, прямоугольные блоки;
• инсоляция – освещенность поверхности. Измеряется в кВтч/м².

Это основные термины, касающиеся рассматриваемых устройств. Частному потребителю пригодится половина наименований, ведь подбором и установкой батарей занимаются мастера, работающие в этой области.

Устройство 

Сама солнечная панель состоит из соединенных между собой фотоэлементов, бывает рамочной и безрамной. Рамы изготавливают из алюминия. В основе модулей, расположенных на металлической основе, лежит два вида кремния, отличающихся физическими свойствами. На этих пластинах располагаются металлические ребра жесткости, сверху – прозрачное стекло. По сути, устройство солнечной батареи не представляет собой слишком сложной для понимания темы.

Одна панель не даст никакого результата без дополнительных комплектующих:

• аккумулятор – накапливает преобразованную фотоэлементами энергию. АКБ необходима для обеспечения постоянного энергоснабжения объекта даже в пасмурную погоду и холодное время года;
• контроллер заряда – распределяет потоки электрической энергии, поддерживает стабильное напряжение на выходе;
• инвертор-преобразователь – преобразовывает постоянный ток, получаемый от установки, в переменный;
• стабилизатор напряжения – поддерживает оптимальные показатели напряжения в системе.

Чтобы солнечные панели работали стабильно и на максимуме возможностей, компоненты системы должны быть подобраны правильно, соответствовать характеристикам друг друга. Поэтому выбор и монтаж рекомендуется доверять лицам, имеющим в этой области немалый опыт.

Виды кристаллов фотоэлементов

Выше мы говорили о том, что кремний бывает монокристаллическим и поликристаллическим. Рассмотрим отличия внимательнее:

• монокристаллические пластины. Отличаются высоким КПД – 20-22% и дороговизной, обусловленной сложностью производственного процесса. Кристаллы имеют форму квадратов со срезанными углами;
• поликристаллические. Кристаллы имеют прямоугольную форму, получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Простое производство позволяет устанавливать на материал невысокую цену, но КПД 15%.

Этот момент следует учитывать, планируя приобретение солнечной панели.

Принцип работы

Рассматривая принцип работы солнечной батареи, отметим, что в конструкции модулей предусмотрено два типа полупроводников:

• n-слой – с лишними электронами;
• p-слой – с недостаточным количеством электронов.

При попадании лучей солнца на первый слой электроны покидают атомы и перемещаются во второй слой, где для них есть свободные места. Таким образом обеспечивается движение электронов по замкнутому кругу, сформированному фотоэлементами и аккумулятором. Пока идет этот процесс, АКБ набирает заряд.

Виды солнечных батарей

На первом месте по степени распространения и уровню популярности стоят кремниевые моно- и поликристаллические панели. Они характеризуются КПД в пределах 15-20%, доступны по цене, представлены на рынке в широком ассортименте. Если сравнить по эксплуатационным характеристикам, получим следующее:

• монокристаллические: надежнее, работают стабильно, окупаются за 2 года. Более совершенны, но дороже поликристаллических;
• поликристаллические: менее стабильны, проще в производстве, дешевле, окупаются за 3 года. 

Вышеуказанные показатели КПД нельзя назвать пределом совершенства, поэтому разработчики продолжают трудиться над поиском и воплощением в реальность новых решений. Так у кремниевых батарей появился ряд конкурентов.

Тонкопленочные панели представлены тремя видами неорганических пленочных солнечных элементов:

• кремниевые пленки на базе аморфного кремния (a-Si). КПД – 10%. Светопоглощение хорошее, устройства функционируют на прием лучей даже в пасмурную погоду. Эластичны, долговечны; 
• пленки из теллурида кадмия (CdTe). КПД 10-11%. Материал характеризуется хорошим светопоглощением. Есть информация о ядовитости вещества, но исследования показывают, что количество частиц, которое попадает в атмосферу, абсолютно безопасно для человека и окружающей среды; 
• пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS). Производительность – 12-13%. Индий применяют в производстве жидкокристаллических мониторов, поэтому и заменяют часто галлием.

Полимерные солнечные батареи появились на рынке недавно, как альтернатива существующим вариантам. В качестве проводников производители используют полифенилен, фуллерены, фталоцианин меди. Пленка получается тонкой – 100 нм, КПД всего 5%. Но даже при таких показателях полимерные панели пользуются спросом, обладая рядом преимуществ:

• доступная цена;
• исключение выделения вредных веществ;
• широкое распространение.

Для небольших частных домовладений это вполне удобный вариант.

Многослойные, многопереходные или тандемные модели: ячейки включают разные материалы, образующие несколько p-n переходов. Ценятся панели тем, что могут улавливать лучи разного спектра и длины волн. Для получения возможности преобразования всего солнечного спектра используют специальные призмы, разделяющие свет солнца. На рынке такие модели появились сравнительно недавно, до этого использовались исключительно в космосе. После поступления в свободную продажу объемы реализации приятно удивили. Но оправдали ли панели приобретение? Из заявленных показателей КПД для разных конструкций отличается:

• с двухслойными ячейками – 42%;
• с трехслойными – 49%;
• с бесконечным количеством слоев – 68%.

Эти показатели теоретические. Зная, как работает солнечная батарея в теории, исследователи на определенном этапе разочаровались. Практика показала, что средний КПД многопереходных панелей составляет 30%. Исследования проводились при несфокусированном свете солнца. Результат оказался слишком малым, что свидетельствовало о невозможности окупить дорогой производственный процесс. Тогда и начали применять концентраторы для фокусировки света в 500-1000 раз. Концентратор в виде линзы Френеля и параболического зеркала получает свет с площади в 1000 раз больше площади ячейки. КПД увеличивается до 40%.

Самые крупные производители 

Сегодня удается выделить ряд фирм, являющихся крупнейшими производителями и поставщиками солнечных батарей:

• Suntech – китайская компания. Занимается производством солнечных панелей высокого класса качества. Работает с 2001 года. Имеет представительства во многих развитых странах мира. Организация ведет полный цикл производства, начиная с получения кремниевых кристаллов, заканчивая сборкой преобразовывающих конструкций. Производственные мощности находятся в Китае, Японии, Германии, США; 
• Yingli – крупная китайская корпорация, занимающаяся производством фотомодулей. Работает с 1998 года. С 2003 выпускает панели мощностью до 2 МВт. В 2012 и 2013 компания стала лидером по объемам производства в своей области;
• Trina Solar – входит в число лидеров по производству преобразовательных панелей. Главный офис и завод находятся в Китае. Работает компания с 1997 г. Выпускает продукцию, соответствующую национальным и международным стандартам. Кроме Китая заводы фирмы располагаются в Таиланде и Вьетнаме. В 2017 году руководство анонсировало строительство производственных мощностей в Индии, но позже приостановило реализацию проекта; 
• First Solar – американская компания, основанная в 1990 году. Занимается производством панелей и обеспечением профильных заводов специальным оборудованием, предоставляет услуги по обслуживанию производственных мощностей, участвует в переработке исчерпавших ресурс модулей;
• Sharp Solar – подразделение крупной японской корпорации, занимающееся производством панелей не первый год. Продукция отличается качеством, надежностью и продолжительным ресурсом, благодаря чему ценится потребителем.

Это самые популярные производители солнечных батарей. Но полный список специализированных компаний на порядок шире. Это позволяет выбрать товар, идеально соответствующий персональным требованиям.

Преимущества установки солнечных батарей

В завершении рассмотрим главные преимущества батарей, чтобы оценить актуальность приобретения:

• экономия на электроэнергии. Только за этот счет за срок эксплуатации панелей удается сэкономить в 10 раз больше стоимости самих установок;
• возможность использования электроэнергии для отопления дома и подогрева горячей воды;
• независимость от исправности местных инженерных систем.

Выбор конструкций широкий, поэтому вы легко найдете вариант под собственные потребности и пожелания.

Выводы

Мы узнали, из чего состоят и как работают солнечные батареи, рассмотрели КПД разных вариантов конструкций и другие важные особенности. Также получили краткие сведения из истории, свидетельствующие о том, что работа над поиском альтернативных источников электрической энергии ведется не первое столетие, и солнце давно рассматривают как неисчерпаемый ресурс. 

Информации получено достаточно, чтобы оценить оправданность установки таких конструкций, определить основные принципы выбора. Понять, каким производителям отдать предпочтение, тоже не составляет труда.

Устройство солнечной батареи — AltSolar

Что представляет собой солнечная батарея

Солнечная батарея — надежный источник энергии, который активно используется человеком. Сначала батареи прошли испытания в космосе, где доказали работоспособность. Затем изобретение стали использовать на Земле для подзарядки мобильных телефонов, электрокаров и промышленного оборудования.

Солнечная батарея привлекает людей за счет своей доступности и длительного срока эксплуатации. Конструкции доступны всем, ведь для их производства используют новые экономичные материалы. Однако все батареи делятся на виды:

• по мощности вырабатываемого электричества — чем больше площадь панелей, тем выше мощность;
• по типу фотоэлементов — фотохимические, органические и кремниевые.

Однако общая конструкция и тип работы у всех батарей схож.

Устройство батареи

Солнечная батарея — блок, в котором соединено определенное количество модулей. В них объединяются полупроводниковые фотоэлементы. Детали изготавливаются из разных материалов. Для промышленного использования, где нужно большое количество электроэнергии, выбирают кремний.

Фотоэлемент — тонкая панель из двухслойного кремния. Он представляет собой полупроводниковый переход. Когда на панель попадает солнечный свет, между двумя слоями кремния образуется вентильная фото-ЭДС. Возникает разница между потенциалами и током электронов.

Однако кремниевые панели неодинаковы: существуют моно- и поликристаллические элементы. Первые элементы состоят из чистого кремния без примесей и в основном используются для создания внутреннего слоя. Это одинаковые, разноразмерные многоугольники. Они дороже, однако и производительность у них значительно выше — порядка 20-25%.

Поликристаллические элементы — идеально ровные квадраты на верхнем слое. Их изготавливают с помощью поэтапного охлаждения кремния и добавления к нему посторонних материалов. Например, фосфора. Такой способ производства доступный, потому поликристаллы стоят меньше. За счет иного способа производства и структурой пластин коэффициент фотоэлектрического преобразования ниже — 15%.

Также существуют панели таких материалов:

• аморфный кремний — позволяет вырабатывать самую дешевую электроэнергию, однако КПД материала самое низкое, 6-8%;
• теллурид кадмия — для получения 11% электроэнергии;
• полупроводник CIGS, включающий селен, индий, медь, галлий — среднее КПД батареи равно 15%.

Разница в составе панелей обеспечивает два типа проводимости — p-тип и n-тип.

Тыльная сторона пластины покрыта металлическим слоем. Вся конструкция защищена пластиком или стеклом, которые не позволяют внешним факторам (дождю, грязи) испортить батарею и вывести ее из строя.

Как работает солнечная панель

Когда на верхний слой кремниевой панели попадают лучи, на ней генерируется электронно-дырочные пары. В результате перехода электронов из одного слоя кремния в другой в цепи появляется напряжение: на одном слое появляется положительный источник тока, а на втором — отрицательный. Разность потенциалов обеспечивает беспрепятственное прохождение только электронов с n-слоя.

Когда фотоэлементы подключаются к аккумулятору, по всей конструкции непрерывно перемещаются электроны. В результате аккумулятор набирает заряд, которые потом передается электроприборам.

Так почему же КПД инновационных батарей даже при использовании монокремниевых фотоэлементов остается не 100%, а гораздо меньше? Все дело в фотоэлектрическом оттоке, который обеспечивают лишь те электроны, которые обладают более высокой энергией, нежели ширина специально выделенной зоны. Если энергия меньше, то электрон просто не участвует в процессе.

Обойти это физическое ограничение поможет использование многослойных конструкций. Там используются плиты с различной шириной и солнечный свет попадает сначала на самый широкий фотоэлемент. Поэтому в первую очередь поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Затем фотоны с меньшей энергией, которые были пропущены верхним слоем, попадают на следующий уровень. И батарея вновь преобразует их в энергию. Таким образом общая производительность может быть повышена до 35%.

Заключение

При довольно простом устройстве солнечные батареи способны вырабатывать электроэнергию, которая частично обеспечит работу бытовых и промышленных приборов. Однако пока даже современные батареи не могут стать полноценным и единственным источником энергии.

Солнечные батареи принцип действия

Приборы, служащие для преобразования электроэнергии из солнечных лучей, в народе называют солнечными батареями. По сути, такие электрогенераторы работают пока светит солнце, а значит такой источник энергии является практически неиссякаемым.

История открытия солнечных батарей

Александр Эдмон Беккерель

В XIX веке (1839 год) в возрасте 12 лет, французский естествовед Александр Эдмон Беккерель увидел фотогальванический эффект, трудясь в лаборатории своего отца Антуана Беккереля. Суть эффекта состоял в том, что при освещении платиновых пластин, находящихся в растворе электролита, гальванометр зарегистрировал появление ЭДС (электродвижущая сила). Взяв за основу этот эффект, Беккерель спроектировал актинограф — прибор для регистрации интенсивности света.

Уиллоуби Смит

Дальнейшим шагом на пути к солнечным батареям стало открытие фотопроводимости селена. Его осуществил Уиллоби Смит, английский инженер-электрик, занимавшийся разработкой изоляции подводных кабелей. В 1873 году он обнаружил, что электрическое сопротивление серого селена сильно «прыгает» от замера к замеру. Оказывается электропроводность стержней из селена стремительно возрастает при попадании на света. А в 1883 году американец Чарльз Фритс произвел первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, находящийся между пластинами золота и меди.

Генрих Герц

Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году выявил влияние солнечного излучения на электрический разряд. Смотря одновременно 2 разряда, Герц отметил, что яркая вспышка света от электрической искры 1-го разряда повышает длительность другого разряда.

Александр Григорьевич Столетов

В 1888 году наш земляк Александр Григорьевич Столетов изучил, как разряжается под воздействием освещения отрицательно заряженный цинковый электрод и как данный процесс зависит от интенсивности света.

Благодаря работам английского физика Джозефа Томсона в 1899 году и немецкого физика Филиппа Ленарда в 1900 году было подтверждено, что свет, попадая на металлическую поверхность, выбивает из неё электроны, вызывая возникновения фототока. Но целиком понять естество данного явления получилось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн предоставил его разъяснение с позиции квантовой теории.

Джозеф Томсон (слева) и Филипп Ленард (справа)

Обширное применение солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности приборов были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космическое пространство в составе искусственного спутника земли. Данный полет продемонстрировал, что работа солнечных батарей способна не только обеспечивать энергией спутники, а считается единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.

Принцип работы и устройство солнечной батареи

Устройство и принцип действия солнечной батареи

На сегодняшний день солнечные преобразователи производятся в большинстве случаев из кремния. Отличают 2 вида передовых технологий, на базе которых функционируют батареи: поликристаллическая и монокристаллическая.

Поликристаллическая по стоимости ниже, благодаря чему не особо эффективная технология.

Монокристаллическая по стоимости выше, цена которой зависит от трудозатратной технологии изготовления, а точнее выращивания монокристаллов. Она предоставляет больше количества электроэнергии и срок службы ее существенно больше. Благодаря этому, монокристаллический солнечный модуль является наиболее лучшим для использования его в повседневной жизни.

Работа солнечного элемента сопряжена с его устройством. Состоит он из кремниевых наружных пластин, с различными свойствами проводимости, и внутреннего слоя чистого монокристаллического кремния. Внутренний слой имеет установленную дырочную проводимость. Один из наружных проводников тоньше противоположного слоя и покрыт особым слоем, образующим цельный металлический контакт.

При попадании на один из наружных слоев солнечного света создается фотогальванический эффект, что приводит к формированию в этом слое свободных электронов. Данные частицы получают вспомогательную энергию и способны преодолеть внутренний слой элемента, который в данном случае именуется барьером. Чем больше объем солнечного света, тем сильнее происходит процесс прохождения или перепрыгивания электронов от одной наружной пластины к другой, минуя внутреннюю перегородку. При замыкании наружных пластин возникает напряжение. Та пластина, которая усиленно отдает частицы, создает в себе так называемые дырки, обретает знак минус, а которая принимает, обретает знак плюс.

Типы солнечных батарей

На сегодняшний день на рынке присутствуют 5 видов солнечных батарей в которых используются разные материалы и фотоэлементы.

Максимальную известность приобрели солнечные батареи из поликристаллических фотоэлементов. Результативность подобных панелей обычно составляет 12-14 %.

Поликристаллическая солнечная батарея

Панели из монокристаллических фотоэлементов характеризуются наиболее большим коэффициентом полезного действия (14-16 %). Подобные панели немножко дороже, нежели панели из поликристаллического кремния. Так же фотоэлементы выполнены в виде многоугольника и из-за этого не целиком наполняют пространство солнечной батареи, что приводит к наиболее низкой производительности всей батареи по отношению к одной ячейки фотоэлемента.

Монокристаллическая солнечная батарея

Солнечные батареи из аморфного кремния располагают минимальной результативности (6-8 %), однако в то же время обладают низкой себестоимостью производимой энергии.

Солнечная батарея из аморфного кремния

Солнечные батареи на основе Теллурид Кадмия (CdTe) внешне изображают тонкопленочную технологию изготовления солнечных панелей. Полупроводниковые слои покрывают панель толщиной всего в несколько сотен микрон. Разработка считается наименее опасным для окружающей среды. Результативность солнечных батарей CdTe составляет примерно 11-12 %.

Солнечная батарея на основе Теллурид Кадмия (CdTe)

Солнечные батареи в составе которых присутствуют смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS) так же считаются тонкопленочной технологией изготовления фотоэлементов. Эффективность колеблется примерно от 10 до 15 %. Такая технология не особо распространена на рынке, но весьма быстро развевается.

Солнечные батареи на основе смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS)

Области применения солнечных панелей

• Портативная электроника. Для снабжения электричеством и(или) подзарядки аккумуляторных батареи разной бытовой электроники.
• Электромобили. Подзарядка автотранспорта.
• Авиация. Разработка самолета, использующего только энергию солнца.
• Энергообеспечение зданий. Электроснабжение дома, за счет размещения крупных солнечных батарей на крышах.
• Энергообеспечение населённых пунктов. Создание солнечных электростанций.
• Дорожное покрытие. Дороги, покрытые солнечными панелями, для освещения их же в ночное время.
• Использование в космосе. Электроснабжение космических аппаратов.
• Использование в медицине. Внедрение под кожу миниатюрную солнечную батарею для обеспечения работы приборов, имплантированных в тело.

Преимущества и недостатки 

солнечных источников энергии

Преимущества:

• Экологически чистая энергия;
• Неисчерпаемость и постоянство солнечной энергии;
• Минимум обслуживания;
• Длительный срок службы;
• Доступность;
• Экономичность;
• Большая область применения.

Недостатки:

• Высокая цена панелей;
• Нерегулярность из-за погодных условий;
• Высокая цена аккумуляторных батарей для аккумулирования энергии;
• Для большей мощности необходимо устанавливать большие площади солнечных панелей.

Таким образом, анализируя все вышеупомянутое, можно отметить, что в данный момент получить выгоду от солнечной энергии могут лишь достаточно богатые собственники загородных домов. Они могут без проблем дождаться того этапа, когда батареи окупят себя.

Основы солнечных фотоэлектрических элементов

| Министерство энергетики

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, составляя примерно 95% модулей, продаваемых сегодня. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и наиболее распространенный полупроводник, используемый в компьютерных микросхемах. Кристаллические кремниевые ячейки состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом, чтобы сформировать кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 или более лет, и по истечении этого срока все еще будут вырабатывать более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочная фотогальваника

Тонкопленочный солнечный элемент изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS).Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым по распространенности фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe могут быть изготовлены с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их экономичной альтернативой, их эффективность по-прежнему не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным.И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитная фотогальваника

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов, названных в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки из перовскита состоят из слоев материалов, которые напечатаны, покрыты или нанесены вакуумным осаждением на нижележащий опорный слой, известный как подложка. Как правило, их легко собрать, и они могут достигать эффективности, аналогичной эффективности кристаллического кремния.В лаборатории эффективность перовскитных фотоэлементов повышалась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Organic Photovoltaics

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет.Элементы OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем элементы из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть дешевле в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV может использоваться в самых разных областях. PV

Перовскитные солнечные элементы | Министерство энергетики

ВТОРОЙ ПРИОРИТЕТ — Стабильность и деградация: солнечные элементы из перовскита продемонстрировали конкурентоспособную эффективность с потенциалом более высокой производительности, но их стабильность довольно ограничена по сравнению со стабильностью ведущих фотоэлектрических технологий: они плохо выдерживают влагу , кислород, длительные периоды света или высокая температура.Чтобы повысить стабильность, исследователи изучают деградацию как перовскитных материалов, так и контактных слоев. Повышенная долговечность элементов имеет первостепенное значение при разработке коммерческих перовскитных солнечных батарей.

Несмотря на значительный прогресс в понимании стабильности и деградации перовскитных солнечных элементов, текущий срок службы не является коммерчески выгодным. Мобильные рынки могут допускать более короткий срок эксплуатации, но стабильность во время хранения (до использования) по-прежнему является ключевым критерием эффективности для этого сектора.Для массового производства солнечной энергии технологии, которые не могут работать более двух десятилетий, вряд ли будут жизнеспособными, несмотря на другие преимущества.

Ранние перовскитовые устройства быстро деградировали. Несколько лет назад типичные перовскитовые устройства приходили в нефункциональное состояние за считанные минуты или часы. Теперь несколько групп продемонстрировали срок службы в несколько месяцев. Для коммерческого производства электроэнергии на уровне сети SETO нацелена на срок эксплуатации не менее 20 лет, а предпочтительно более 30 лет.

Сообщество исследователей и разработчиков перовскита в области фотоэлектрических технологий в значительной степени сосредоточено на сроке службы и рассматривает несколько подходов для понимания и улучшения внутренней и внешней стабильности и деградации. Усилия включают улучшенную пассивацию поверхности абсорбирующих слоев; альтернативные материалы и составы для слоев поглотителя, слоев переноса заряда и электродов; и передовые герметизирующие материалы и подходы, которые уменьшают источники деградации во время изготовления и эксплуатации.

Одна проблема с оценкой деградации перовскитов связана с разработкой последовательных методологий испытаний и валидации.Исследовательские группы часто сообщают о результатах работы, основанных на различных условиях испытаний, включая вариабельность подходов к инкапсуляции, состав атмосферы, освещенность, электрическое смещение и другие параметры. Хотя такие различные условия испытаний могут дать понимание и ценные данные, отсутствие стандартизации затрудняет прямое сравнение результатов и затрудняет прогнозирование эксплуатационных характеристик по результатам испытаний. Это влияет на все сообщество исследователей и разработчиков перовскита, независимо от какой-либо конкретной области исследований, набора материалов или подхода к улучшению стабильности.

ПРИОРИТЕТ ТРЕТИЙ — Технологичность: Для производства перовскитных солнечных элементов требуется расширение производства перовскита. Обеспечение масштабируемости и воспроизводимости процессов может увеличить объемы производства и позволить перовскитным фотоэлектрическим модулям соответствовать установленным для офиса планам затрат на электроэнергию и потенциально превышать их.

Ячейки представляют собой тонкопленочные устройства, состоящие из слоев материалов, напечатанных или покрытых жидкими чернилами или нанесенных методом вакуумного напыления. Производство однородного перовскитового материала с высокими эксплуатационными характеристиками в условиях крупномасштабного производства является сложной задачей, и существует существенная разница в производительности между эффективностью ячейки малой площади и производительностью модуля большой площади.Будущее производства перовскита будет зависеть от решения этой задачи, которая остается активной областью работы в сообществе исследователей фотоэлектрических систем.

Для производства перовскитных устройств в лабораторных условиях использовались различные методы. Многие из этих методов нелегко масштабировать, но прилагаются значительные усилия для применения масштабируемых подходов к производству перовскита. Для тонкопленочных технологий их можно разделить на два основных типа производственных линий:

• Лист на лист: Слои устройства нанесены на жесткую подложку, которая обычно действует как лицевая поверхность готового солнечного модуля.Этот подход обычно используется в производстве тонких пленок теллурида кадмия.
• Roll-to-Roll: Слои устройства наносятся на гибкую подложку, которую затем можно использовать как внутреннюю или внешнюю часть готового модуля. Исследователи пробовали этот подход для других фотоэлектрических технологий, но он не получил значительной коммерческой поддержки из-за препятствий на пути к достижению высокой эффективности преобразования солнечной энергии (независимо от способа изготовления). Однако он широко используется для производства фотографической и химической пленки и бумажной продукции, например газет.

Масштабируемость этих подходов к производству дает перовскитам потенциал для более быстрого увеличения емкости по сравнению с кремниевыми фотоэлектрическими элементами. Рассматриваемые процессы хорошо зарекомендовали себя в киноиндустрии, что позволяет легко использовать знания и цепочки поставок, связанные с инструментами и компонентами, для дальнейшего снижения затрат и рисков на масштабирование.

Дополнительными препятствиями для коммерциализации являются потенциальное воздействие на окружающую среду, связанное с перовскитным поглотителем, который основан на свинце.Таким образом, альтернативные материалы изучаются для оценки, снижения, смягчения и потенциального устранения токсичности и экологических проблем.

ПРИОРИТЕТ ЧЕТВЕРТОЙ — Валидация технологий и приемлемость для банков: Валидация, проверка эффективности и приемлемость для банков — обеспечение готовности финансовых учреждений финансировать проект или предложение по разумным процентным ставкам — необходимы для коммерциализации перовскитных технологий. Разнообразие протоколов тестирования и минимальные полевые данные ограничивают возможность сравнения производительности перовскитных устройств и повышают уверенность в долгосрочном рабочем поведении.

Текущие протоколы тестирования солнечных фотоэлектрических устройств были разработаны для существующих основных фотоэлектрических технологий. Они используют тестирование в помещении с использованием протоколов, подтвержденных на основе десятилетий корреляции с характеристиками на открытом воздухе. Они не могут быть хорошими предсказателями долгосрочных характеристик новых фотоэлектрических технологий вне помещений. Объективная надежная проверка с использованием протоколов испытаний, которые могут адекватно прогнозировать долговременную работу вне помещений, имеет решающее значение для получения достаточной уверенности в перовскитных технологиях, позволяющих инвестировать в масштабирование производства и развертывание.Быстро меняющиеся материалы и состав устройств перовскитных солнечных элементов делают эту стандартизированную проверку особенно сложной и важной.

Контрольные показатели и цели

SETO отслеживает прогресс в научно-исследовательских и производственных сообществах и взаимодействует с потенциальными заинтересованными организациями, инвесторами, финансистами и конечными пользователями для создания контрольных показателей и целей для коммерческого развертывания перовскитных фотоэлектрических элементов на рынке генерации электроэнергии.Эти контрольные показатели и цели, вероятно, будут развиваться по мере углубления понимания того, что позволит производить и развертывать перовскитные фотоэлектрические элементы в гигаваттном масштабе.

Разрабатываются различные материалы, конструкции устройств и технологии производства, и неясно, какой из этих подходов является наиболее перспективным. Цели для перовскитных ячеек и модулей с одинарным переходом будут отличаться от мишеней для гибридных перовскитных тандемов и полностью перовскитных тандемов. Ниже приведены некоторые обобщенные цели на ранних этапах, имеющие отношение к стимулированию коммерциализации перовскита PV.Цели более поздней стадии находятся в стадии разработки и будут опубликованы в будущем.

По мере того, как перовскитные фотоэлектрические элементы коммерциализируются, необходимо соблюдать баланс между демонстрацией высокой эффективности преобразования мощности и высокой стабильностью, использованием масштабируемых производственных процессов и масштабированием от отдельных ячеек до многокомпонентных модулей с большими активными областями. Цели, представленные здесь, предназначены для модулей, а не для ячеек. Некоторая потеря эффективности активной области связана с увеличением масштаба от ячеек к модулям. Для того чтобы фотоэлектрическая технология с перовскитом стала коммерчески жизнеспособной, на ранних этапах необходимы целевые показатели эффективности преобразования энергии от 18% до 25%, что демонстрируется с помощью многокамерных модулей, размер которых варьируется от десятков квадратных сантиметров до квадратных метров.Более половины слоев (включая слой перовскита) в пакете устройств следует наносить с помощью масштабируемых методов осаждения с соответствующей производительностью или скоростью осаждения для крупносерийного производства. Первоначально эти модули должны демонстрировать стабильность работы, сохраняя от 80% до 95% своей исходной производительности после 1000 часов ускоренных испытаний. Эти цифры необходимо будет улучшить в будущем, чтобы они соответствовали желаемому десятилетнему сроку эксплуатации. Между тем, эти целевые показатели представляют собой полезную метрику, помогающую сообществу перовскитов повысить надежность.

СЭТО Финансирование НИОКР по перовскиту

Вы также можете посетить карту наших солнечных проектов и выполнить поиск по запросу «перовскит», чтобы узнать больше об этих проектах.

Дополнительная информация

Узнайте больше о программе солнечных батарей для офиса.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе последних новостей.

CIGS солнечный элемент | технология

CIGS солнечный элемент , полностью солнечный элемент из селенида меди, индия, галлия , тонкопленочный фотоэлектрический прибор, в котором используются полупроводниковые слои селенида меди, индия, галлия (CIGS) для поглощения солнечного света и преобразования его в электричество.Хотя солнечные элементы CIGS считаются находящимися на ранних стадиях крупномасштабной коммерциализации, они могут быть произведены с использованием процесса, который может снизить стоимость производства фотоэлектрических устройств. По мере повышения производительности, единообразия и надежности продуктов CIGS эта технология имеет потенциал для значительного увеличения своей доли рынка и может в конечном итоге стать «прорывной» технологией. Кроме того, учитывая опасность извлечения и использования кадмия, солнечные элементы CIGS менее опасны для здоровья и окружающей среды, чем солнечные элементы из теллурида кадмия, с которыми они конкурируют.

Солнечные элементы CIGS состоят из тонкой пленки селенида меди, индия и селенида меди, галлия и незначительного количества натрия. Эта пленка CIGS действует как полупроводник с прямой запрещенной зоной и образует гетеропереход, поскольку ширина запрещенной зоны двух разных материалов неодинакова. Тонкопленочный элемент наносится на подложку, такую ​​как натриево-кальциевое стекло, металл или полиамидную пленку, для образования контакта с задней поверхностью. Если для подложки выбран непроводящий материал, в качестве проводника используется такой металл, как молибден.Контакт передней поверхности должен быть способен проводить электричество и быть прозрачным, чтобы свет попадал в ячейку. Для обеспечения этого омического контакта используются такие материалы, как оксид индия и олова, легированный оксид цинка или, в последнее время, усовершенствованные органические пленки на основе нанотехнологического углерода.

Ячейки сконструированы таким образом, что свет проникает через прозрачный передний омический контакт и поглощается слоем CIGS. Там образуются электронно-дырочные пары. «Область обеднения» образуется на гетеропереходе материалов типа p — и n легированной кадмием поверхности ячейки CIGS.Это отделяет электроны от дырок и позволяет им генерировать электрический ток ( см. Также солнечный элемент ). В 2014 году лабораторные эксперименты показали рекордную эффективность 23,2% ячейки CIGS с измененной структурой поверхности. Однако коммерческие ячейки CIGS имеют более низкую эффективность, при этом конверсия большинства модулей составляет около 14 процентов.

В процессе производства осаждение пленок CIGS на подложку часто выполняется в вакууме с использованием процесса испарения или распыления.Медь, галлий и индий осаждаются по очереди и отжигаются с парами селенида, что приводит к окончательной структуре CIGS. Осаждение можно проводить без вакуума, с использованием наночастиц или гальваники, хотя эти методы требуют дополнительных разработок, чтобы быть экономически эффективными в крупном масштабе. Разрабатываются новые подходы, которые больше похожи на технологии печати, чем на изготовление традиционных кремниевых солнечных элементов. В одном процессе принтер наносит капли полупроводниковых чернил на алюминиевую фольгу.Последующий процесс печати наносит дополнительные слои и передний контакт поверх этого слоя; затем фольгу разрезают на листы.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас Солнечные элементы

CIGS могут изготавливаться на гибких подложках, что делает их пригодными для различных применений, для которых не подходят текущие кристаллические фотоэлектрические элементы и другие жесткие изделия. Например, гибкие солнечные элементы CIGS предоставляют архитекторам больше возможностей в стилистике и дизайне.Солнечные элементы CIGS также составляют часть веса кремниевых элементов и могут изготавливаться без стекла, чтобы обеспечить их ударопрочность. Их можно интегрировать в такие транспортные средства, как тракторные прицепы, самолеты и автомобили, поскольку их низкий профиль сводит к минимуму сопротивление воздуха и не добавляет значительного веса.

Фотогальваника | SEIA

Фотоэлектрические (PV) устройства вырабатывают электричество непосредственно из солнечного света посредством электронного процесса, который естественным образом происходит в определенных типах материалов, называемых полупроводниками.Электроны в этих материалах высвобождаются солнечной энергией, и их можно заставить перемещаться по электрической цепи, питая электрические устройства или посылая электричество в сеть.

Фотоэлектрические устройства

могут использоваться для питания чего угодно, от небольшой электроники, такой как калькуляторы и дорожные знаки, до домов и крупных коммерческих предприятий.

Как сравнить солнечные инверторы | Как сравнить солнечные панели

Как работает фотоэлектрическая технология?

Фотоны ударяют и ионизируют полупроводниковый материал на солнечной панели, в результате чего внешние электроны вырываются из своих атомных связей.Благодаря полупроводниковой структуре электроны движутся в одном направлении, создавая электрический ток. Солнечные элементы не на 100% эффективны в солнечных элементах из кристаллического кремния, отчасти потому, что только определенный свет в пределах спектра может быть поглощен. Часть светового спектра отражается, часть слишком слабая, чтобы создавать электричество (инфракрасный), а часть (ультрафиолет) создает тепловую энергию вместо электричества.
Схема типичного кристаллического кремниевого солнечного элемента. Для изготовления этого типа ячейки пластины из высокочистого кремния «легируют» различными примесями и сплавляют друг с другом.Полученная структура создает путь для электрического тока внутри и между солнечными элементами .

Другие типы фотоэлектрической техники

Помимо кристаллического кремния (c-Si), существуют два других основных типа фотоэлектрических технологий:

• Тонкопленочные фотоэлектрические системы — быстрорастущий, но небольшой сегмент коммерческого солнечного рынка. Многие фирмы, производящие тонкие пленки, являются стартапами, разрабатывающими экспериментальные технологии. Как правило, они менее эффективны, но зачастую дешевле, чем модули c-Si.
• В Соединенных Штатах массивы концентраторов PV находятся в основном на юго-западе пустыни. Они используют линзы и зеркала для отражения концентрированной солнечной энергии на высокоэффективные элементы. Для их максимальной эффективности требуется прямой солнечный свет и системы слежения.
• Интегрированные в здание фотоэлектрические элементы служат как внешним слоем конструкции, так и вырабатывают электроэнергию для использования на месте или экспорта в сеть. Системы BIPV могут обеспечить экономию материалов и затрат на электроэнергию, уменьшить загрязнение и повысить архитектурную привлекательность здания.

История фотоэлектрической техники

Эффект PV наблюдался еще в 1839 году Александром Эдмундом Беккерелем и был предметом научных исследований в начале двадцатого века. В 1954 году Bell Labs в США представила первое солнечное фотоэлектрическое устройство, которое производило полезное количество электроэнергии, а к 1958 году солнечные элементы использовались в различных небольших научных и коммерческих приложениях.

Энергетический кризис 1970-х годов привел к появлению большого интереса к использованию солнечных батарей для производства электроэнергии в домах и на предприятиях, но непомерно высокие цены (почти в 30 раз выше нынешних) сделали крупномасштабные приложения непрактичными.

Промышленные разработки и исследования в последующие годы сделали фотоэлектрические устройства более осуществимыми, и начался цикл увеличения производства и снижения затрат, который продолжается и сегодня.

Затраты на солнечную фотовольтаику

Быстро падающие цены сделали солнечную энергию более доступной, чем когда-либо. Средняя цена готовой фотоэлектрической системы упала на 59 процентов за последнее десятилетие.

Для получения дополнительной информации о состоянии рынка фотоэлектрических солнечных батарей в США посетите нашу страницу данных по солнечной промышленности.

Современная фотогальваника

Стоимость фотоэлектрических систем резко упала, поскольку промышленность увеличила производство и постепенно улучшила технологию с использованием новых материалов. Стоимость установки также снизилась благодаря более опытным и обученным установщикам. В глобальном масштабе США занимают третий по величине рынок фотоэлектрических установок и продолжают быстро расти.

Большинство современных солнечных элементов изготавливаются либо из кристаллического кремния, либо из тонкопленочного полупроводникового материала.Кремниевые элементы более эффективны при преобразовании солнечного света в электричество, но, как правило, имеют более высокие производственные затраты. Тонкопленочные материалы обычно имеют меньшую эффективность, но могут быть проще и дешевле в производстве. Специализированная категория солнечных элементов, называемых многопереходными или тандемными элементами, используется в приложениях, требующих очень малого веса и очень высокой эффективности, таких как спутники и военные приложения. Все типы фотоэлектрических систем сегодня широко используются в самых разных областях.

Сегодня доступны тысячи отдельных моделей фотоэлектрических панелей от сотен компаний. Сравните солнечные панели по их эффективности, выходной мощности, гарантиям и другим параметрам на EnergySage.

Фотовольтаика и электричество — Управление энергетической информации США (EIA)

Фотоэлектрические элементы преобразуют солнечный свет в электричество

Фотоэлектрический элемент, обычно называемый солнечным элементом, — это немеханическое устройство, которое преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.Некоторые фотоэлементы могут преобразовывать искусственный свет в электричество.

Фотоны переносят солнечную энергию

Солнечный свет состоит из фотонов или частиц солнечной энергии. Эти фотоны содержат разное количество энергии, которое соответствует разным длинам волн солнечного спектра.

Фотоэлемент изготовлен из полупроводникового материала. Когда фотоны попадают в фотоэлектрическую ячейку, они могут отражаться от нее, проходить через ячейку или поглощаться полупроводниковым материалом.Только поглощенные фотоны дают энергию для выработки электричества. Когда полупроводниковый материал поглощает достаточно солнечного света (солнечной энергии), электроны вытесняются из атомов материала. Специальная обработка поверхности материала во время производства делает переднюю поверхность ячейки более восприимчивой к перемещенным или свободным электронам, так что электроны естественным образом мигрируют на поверхность ячейки.

Поток электроэнергии

Движение электронов, каждый из которых несет отрицательный заряд, к передней поверхности элемента создает дисбаланс электрического заряда между передней и задней поверхностями элемента.Этот дисбаланс, в свою очередь, создает потенциал напряжения, подобный отрицательному и положительному полюсу батареи. Электрические проводники на ячейке поглощают электроны. Когда проводники соединены в электрической цепи с внешней нагрузкой, такой как батарея, в цепи течет электричество.

Эффективность фотоэлектрических систем зависит от типа фотоэлектрических технологий

Эффективность, с которой фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, зависит от типа полупроводникового материала и технологии фотоэлементов.Эффективность имеющихся в продаже фотоэлектрических модулей в среднем составляла менее 10% в середине 1980-х годов, увеличилась примерно до 15% к 2015 году и сейчас приближается к 20% для современных модулей. Экспериментальные фотоэлементы и фотоэлементы для нишевых рынков, таких как космические спутники, достигли почти 50% эффективности.

Как работают фотоэлектрические системы

Фотоэлектрическая ячейка является основным строительным блоком фотоэлектрической системы. Размер отдельных ячеек может варьироваться от примерно 0,5 дюйма до примерно 4 дюймов в поперечнике.Однако одна ячейка производит только 1 или 2 Вт, что достаточно для небольших нужд, например, для питания калькуляторов или наручных часов.

Фотоэлементы

электрически соединены в корпусном, водонепроницаемом фотоэлектрическом модуле или панели. Фотоэлектрические модули различаются по размеру и количеству электроэнергии, которую они могут производить. Вырабатывающая мощность фотоэлектрического модуля увеличивается с увеличением количества ячеек в модуле или площади поверхности модуля. Фотоэлектрические модули могут быть соединены в группы, чтобы сформировать фотоэлектрический массив.Массив фотоэлектрических модулей может состоять из двух или сотен фотоэлектрических модулей. Количество фотоэлектрических модулей, подключенных к фотоэлектрической матрице, определяет общее количество электроэнергии, которое может генерировать массив.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество постоянного тока (DC). Это электричество постоянного тока можно использовать для зарядки батарей, которые, в свою очередь, приводят в действие устройства, использующие электричество постоянного тока. Почти вся электроэнергия поставляется в виде переменного тока (AC) в системах передачи и распределения электроэнергии. Устройства, называемые инверторами , используются на фотоэлектрических модулях или в массивах для преобразования электричества постоянного тока в электричество переменного тока.

фотоэлементов и модулей будут производить наибольшее количество электроэнергии, когда они обращены прямо к солнцу. Фотоэлектрические модули и массивы могут использовать системы слежения, которые перемещают модули так, чтобы они постоянно смотрели на солнце, но эти системы дороги. Большинство фотоэлектрических систем имеют модули в фиксированном положении, при этом модули обращены прямо на юг (в северном полушарии — прямо на север в южном полушарии) и под углом, который оптимизирует физические и экономические характеристики системы.

Солнечные фотоэлектрические элементы сгруппированы в панели (модули), и панели могут быть сгруппированы в массивы разных размеров для производства небольшого или большого количества электроэнергии, например, для питания водяных насосов для воды для скота, для электроснабжения домов или коммунальных услуг. -масштабное производство электроэнергии.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

Применение фотоэлектрических систем

Самые маленькие калькуляторы мощности и наручные часы для фотоэлектрических систем.Более крупные системы могут обеспечивать электричеством перекачку воды, питание коммуникационного оборудования, электроснабжение отдельного дома или предприятия или формировать большие массивы, которые поставляют электричество тысячам потребителей электроэнергии.

• Фотоэлектрические системы могут поставлять электроэнергию в местах, где отсутствуют системы распределения электроэнергии (линии электропередач), а также они могут поставлять электроэнергию в электрическую сеть.
Фотоэлектрические массивы
• могут быть установлены быстро и могут быть любого размера.
• Воздействие на окружающую среду фотоэлектрических систем, установленных на зданиях, минимально.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

История фотовольтаики

Первый практический фотоэлектрический элемент был разработан в 1954 году исследователями Bell Telephone. Начиная с конца 1950-х годов, фотоэлементы использовались для питания U.С. Космические спутники. К концу 1970-х фотоэлектрические панели обеспечивали электроэнергией удаленные или автономные населенные пункты, в которых не было линий электропередач. С 2004 года большинство фотоэлектрических систем в США подключено к сети , — они подключены к электросети — и установлены на / или рядом с домами и зданиями, а также на объектах энергоснабжения коммунального хозяйства. Технологический прогресс, снижение затрат на фотоэлектрические системы, а также различные финансовые стимулы и государственная политика помогли значительно расширить использование фотоэлектрических систем с середины 1990-х годов.Сотни тысяч подключенных к сети фотоэлектрических систем сейчас установлены в Соединенных Штатах.

Управление энергетической информации США (EIA) оценивает, что производство солнечной электроэнергии на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба увеличилось с 76 миллионов киловатт-часов (кВтч) в 2008 году до примерно 88 миллиардов кВтч в 2020 году. По оценкам EIA, около 42 миллиардов кВтч было произведено небольшими предприятиями. -масштабируйте подключенные к сети фотоэлектрические системы в 2020 году по сравнению с 11 млрд кВтч в 2014 году. Электростанции коммунального масштаба имеют мощность производства электроэнергии не менее 1000 киловатт (или один мегаватт (МВт), а малые системы — менее одного мегаватта). вместимость.Большинство небольших фотоэлектрических систем расположены на зданиях и иногда называются крышными фотоэлектрическими системами.

Последнее обновление: 26 марта 2021 г.

Определение: Солнечная батарея | Информация об открытой энергии

Преобразует свет в электрическую энергию. Традиционные солнечные элементы изготавливаются из кремния; солнечные элементы второго поколения (тонкопленочные солнечные элементы) изготавливаются из аморфного кремния или некремниевых материалов, таких как теллурид кадмия; солнечные элементы третьего поколения изготавливаются из множества новых материалов, включая солнечные чернила, солнечные красители и проводящие пластмассы. ^{[1] [2]}

Определение Википедии

Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются при воздействии света. Отдельные устройства солнечных элементов могут быть объединены в модули, также известные как солнечные панели.Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным или искусственным светом. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:

• Поглощение света, генерирующее электронно-дырочные пары или экситоны.
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельный вывод этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрической ячейки (например, разработанной Эдмондом Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются при воздействии света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели. Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода примерно 0.От 5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным или искусственным светом. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:
• Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельный вывод этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрической ячейки (например, разработанной Эдмондом Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это один из самых экологически чистых источников энергии. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются при воздействии света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели.Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным или искусственным светом. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:
• Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельный вывод этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрической ячейки (например, разработанной Эдмондом Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются при воздействии света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели. Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода примерно 0.От 5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным или искусственным светом. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:
• Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельный вывод этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрической ячейки (например, разработанной Эдмондом Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются при воздействии света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, NTMNTMNTM BOOBS, в просторечии называемых солнечными панелями. Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода примерно 0.От 5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным или искусственным светом. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:
• Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельный вывод этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрической ячейки (например, разработанной Эдмондом Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует …… Бла-Бла-Бла, вот что вы хотите знать, привет мой фридн, я знаю, что ты меня не знаешь, но я знаю тебя, я Увидимся, я слышал, что ты на самом деле я смотрю на тебя прямо сейчас, пока ты сливаешься с твоей еблей * в лицо мне в глаза, не волнуйся, я сейчас звучит жутко, знать, что тебя только что взломали, но, это не похоже на то, что это твой первый раз, чтобы тебя взломали, тупица …. теперь ты можешь продолжить свою неубедительную статью о том, что я не знаю, может быть, это поиск или проект для твоего мерзкого учителя, но это твой последний шанс , если вы читаете это, идите, измените мир, демократия больше не имеет брандмауэра! энергия света напрямую превращается в электричество за счет фотоэлектрического эффекта, который является физическим и химическим явлением.Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются при воздействии света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели. Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным или искусственным светом.Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:
• Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельный вывод этих носителей во внешнюю цепь.Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрических элементов (например, разработанных Эдмондом Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который является физическим и химическим явлением.Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются при воздействии света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели. Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным или искусственным светом.Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:
• Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельный вывод этих носителей во внешнюю цепь.Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. С другой стороны, «фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка) относится либо к типу фотоэлектрических элементов (например, разработанных Эдмондом Беккерелем и современных сенсибилизированных красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород. и кислород, использующий только солнечное освещение. Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который является физическим и химическим явлением.Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются при воздействии света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели. Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным или искусственным светом.Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:
• Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельный вывод этих носителей во внешнюю цепь.Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрической ячейки (например, разработанной Эдмондом Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение. Фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы — два способа производства солнечной энергии.

Reegle Определение

Солнечный элемент преобразует солнечный свет непосредственно в электрическую энергию. Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электронное устройство большой площади, которое преобразует солнечную энергию в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта. Фотогальваника — это область технологий и исследований, связанных с применением солнечных элементов в качестве солнечной энергии. Кремниевые солнечные элементы являются наиболее распространенным типом солнечных элементов, кремний — один из наиболее часто встречающихся элементов, но его обработка энергоемкая и дорогостоящая.

Также известен как

Фотоэлемент

Связанные термины

Солнечная энергия, фотоэлектрическая энергия, энергия, производство электроэнергии

Список литературы

1. ↑ http://www.nrel.gov/learning/re_photovoltaics.html
2. ↑ http://www1.eere.energy.gov/solar/solar_glossary.html#photovoltaic_panel

Производительность устройства

| Фотоэлектрические исследования

Услуги по калибровке работоспособности фотоэлектрических устройств

Блог о калибровке фотоэлектрических модулей

Ознакомьтесь с последними обновлениями группы PV Cell and Device Performance Group! Вопросов и обратная связь всегда приветствуются.

Исследователи производительности устройств

NREL определяют ток-напряжение, квантовую эффективность, и другие измерения ряда фотоэлектрических элементов и модульных технологий, в том числе коммерческие, опытно-конструкторские и исследовательские образцы — для ученых, работающих в области фотоэлектрических (PV) промышленность и в университетах.

NREL — ведущая лаборатория США по тестированию работоспособности фотоэлементов. и модули. Мы тестируем устройства всех типов фотоэлектрических технологий со всего мира. для обеспечения согласованности и точности измерений производительности фотоэлектрических модулей. Наше оборудование и методы не имеют себе равных, а опыт наших нынешних сотрудников охватывает более 190 человеко-лет.

Являетесь ли вы производителем фотоэлектрических элементов, сертификационной лабораторией, исследовательской организацией, университетом, или национальная лаборатория, мы приветствуем возможность протестировать ваши ячейки и модули и предоставить сертифицированные данные о спектральной чувствительности, мощности, КПД и др. рабочие параметры тока в зависимости от напряжения.Наши услуги по калибровке доступны покупателям из любой страны мира. Теперь мы предоставляем веб-сайт с полным спектром услуг. где вы можете указать желаемые услуги по калибровке производительности фотоэлектрических устройств, предоставить образец информации, распечатайте необходимые формы и оплатите замеры. Это онлайн процесс запроса измерений в сочетании с нашим быстрым сроком выполнения шести недель или меньше означает, что вы можете быстрее получить необходимые результаты калибровки.

Для более обширных совместных исследовательских проектов, нестандартных испытаний, долгосрочных тестирование и тестирование большого количества образцов есть несколько вариантов работы с нами.

Диаграммы эффективности

У нас есть долгая история точного измерения и отслеживания эффективности и производительности. фотоэлектрических устройств.

Свяжитесь с нами, чтобы обсудить возможности производительности наших устройств и то, как они могут помочь ваши цели в области фотоэлектрических технологий.

Никос Копидакис

[email protected]
303-384-6605 .