Сонячна батарея - пристрій сонячної батареї, Двигун прогресу
Сонячна батарея – чи як воно працює?
Сонячна батарея - практично чарівне слово вживане в будь-якій науковій фантастиці. Однак справжня сонячна батарея – це не звичайна панель. У науці взагалі немає поняття “сонячні батареї”, так само як і “сонячна батарея” – зате є поняття осередків, панелей та багато іншого, про що ми розповімо вам у цій статті.
У сучасному світі всі вже дійшли розуміння того, що на нафті та газі довго цивілізація не проживе. Отже, треба переходити на інші джерела, а саме сонце, геотермальні, вітер і вода. Про вітрогенератори ми вже писали, тепер настав час писати пропристрій сонячної батареї.
Вперше фотогальванічний ефект спостерігав у 1839 році французький фізик Антуан Анрі Беккерель, проте перший прототип сонячної батареї зробив у 1883 році американський винахідник Чарльз Фріттс. Пристрій першої сонячної батареї був напівпровідником покритим надтонким шаром золота. Ефективність батареї становила близько 1%.
1888 року Олександр Столетов створив перший у світі фотоелектричний елемент. А в 1905 Альберт Ейнштейн у своїй роботі пояснив явище фотоелектричного ефекту, за що був удостоєний Нобелівської премії з фізики в 1921 році. У 1946 роцісонячна батарея сучасного вигляду була запатентованаРасселом Олом (Russell Ohl).
Сучасні високоефективні сонячні батареї на кристалічному кремнії були створені вЛабораторіях Белла (Bell Laboratories), інженерамиДеріл Чапін (Daryl Chapin),Кельвіном Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller) > іГеральдом Пірсоном (Gerald Pearson) у 1954 році. З того часу сонячна батарея почала своєпереможна хода світом.
Влаштування сонячних батарей
Сучасні сонячні батареї робляться в основному на основі кремнію. Існують дві технології виготовлення – монокристалічна та полікристалічна. Остання сучасніша і використовується для отримання більш дешевих сонячних батарей. Також існують сонячні батареї, створені на основі телуриду кадмію, селенідів міді індію і галію, а також аморфного кремнію.
Сонячна батарея (названі також фотоелектричні елементи) — це твердотільні електричні пристрої, призначені для перетворення сонячної енергії на електричну, за допомогою фотоелектричного ефекту. Кожна сонячна батарея складається із сонячних осередків.
Складання сонячних осередків використовуються для створення модулів, для вироблення електрики із сонячної енергії. Такі зборки монтуються разом, для отримання групи із сонячних модулів, які в свою чергу встановлюються на спеціальні поворотні пристрої або слелажі, що орієнтують групу сонячних модулів на сонці, яка також включає інше електронне обважування. Такі збирання називаються сонячними панелями.
Слід зазначити, що в українській мові й усі деталі збирання разом та окремо називають сонячними батареями. Це не так, оскільки слово “батарея” має на увазі під собою акумулювання та/або виділення енергії. По суті, батареї в сонячній панелі теж є це можуть бути акумулятори, які накопичують заряд, що надходить від сонячних збірок. Але сонячне складання це скоріше генератор.
Також слід сказати, що в англійській мові є згадка як сонячного модуля, так і сонячної панелі. Відмінність полягає в тому, що сонячний модуль не можна розібрати на сонячні осередки, він представляєсобою самостійний, спаяний та гідроізольований пристрій. Тоді як сонячну панель можна розібрати на сонячні модулі.
У даному циклі статей ми будемо використовувати більш звичне словосполученнясонячна батарея, маючи на увазі саме нерозбірний сонячний модуль, зібраний із сонячних осередків.
Загалом видів фотогальванічних осередків багато. Вони необов'язково використовуються для створення сонячних батарей. Вони можуть служити для виявлення світла в будь-яких інших системах, виявляючи, наприклад, інфрачервоне випромінювання. Також фотоелектричні осередки використовуються для вимірювання інтенсивності світлового потоку.
Є кілька позначень фотоефекту.
Фотовольтаїчний ефект (грец. φῶς (phōs) означає світло і англ. "voltaic" на ім'я Вольти) - це виникнення електрорушійної сили під дією електромагнітного поля.
Фотогальванічний ефект - виникнення електричного струму при освітленні напівпровідника або діелектрика або виникнення електрорушійної сили на освітлюваному зразку при розімкнутому ланцюгу.
У той же час фотоефект - це випромінювання електронів або будь-якого електромагнітного випромінювання в речовинах, будь то тверді або рідкі.
Для зручності ми вживатимемо термін фотогальванічні елементи.
Застосування сонячних батарей
Фотогальванічні модулі зазвичай укладено у своєрідний корпус. Зверху їх покривають склом, яке дозволяє сонячному світлу проникати до самих осередків, одночасно захищаючи їх від зовнішніх механічних і хімічних впливів. Позаду модулі захищені пластиковою кришкою із кріпленнями. Сонячні осередки зазвичай з'єднані в модулях у серії, щоб створювати достатню напругу, у цьому випадку вони з'єднуються за послідовною схемою.Паралельне з'єднання осередків дає більший струм, але проблематично через умови зовнішнього середовища та електричних ефектів, що протікають в панелях. Наприклад, затінення окремих рядків із осередків (сонячний модуль має малий структуру) може призвести до зворотних струмів через затінені осередки від освітлених товаришів. Це може призвести до серйозного зниження ефективності і навіть виходу осередків з ладу.
Рядки з осередків повинні бути самостійними елементами, наприклад, чотири рядки по десять вольт. Для запобігання тіньовим ефектам використовуються спеціальні схеми розпаралелювання та захисту рядків.
Сонячні модулі можуть з'єднуватися в панелі послідовно або паралельно для досягнення необхідного співвідношення напруги і сили струму. Проте спеціалістами рекомендується використовувати спеціальні незалежні системи розподілу навантаження – MPPT (maximum power point trackers). Системи розподілу допомагають уникнути фіксованого ланцюга, перемикаючи модулі на паралельний або послідовний режими для компенсації затінених ділянок сонячної панелі.
Зібрана з сонячної панелі енергія надходить споживачам через інвентори напруги. В автономних системах енергія запасається в батареях і використовується за потребою.
Як працюють сонячні батареї
Сонячна батарея працює в такий спосіб.
1. Фотони ударяються об поверхню сонячної батареї і поглинаються її робочим матеріалом, наприклад, кремнієм. 2. Фотони, стикаючись з атомами речовини, вибивають з нього його рідні електрони. Внаслідок чого виникає різниця потенціалів. Вільні електрони починають рухатися всередині речовини, щоб погасити різницю потенціалів. Виникає електричний струм. Так як сонячна батарея це напівпровідник, електрони рухаються тільки вв одному напрямку. 3. Отримуваний струм сонячна батарея перетворює на постійний і віддає його споживачеві або акумулятору.
Вартість сонячних панелей (сонячних батарей) неухильно знижується рік у рік. Це відбувається завдяки розробці нових методів виготовлення осередків, вивченню матеріалів та методів їх обробки. Починаючи з середини 2010 року ціна виробленого сонячною батареєю вата електричної енергії впала до 1,2-1,5 доларів для кристалічних модулів.
Матеріали та технології
"Тут цікаво згадати, що кремній англійською - silicon, а силікон - silicone)."
Сонячні батареї виготовляються з кристалічного кремнію. Кристалічний кремній це найпопулярніша на сьогоднішній день речовина для виготовлення сонячних осередків. Його також називають «кремній сонячної якості». Цей вид кремнію поділяють різні види, зумовлені методиками виготовлення та розміром кристалів.
Монокристалічний кремній
Найчастіше виготовляється методом Чохральського чи тигельним методом. Схематично він показаний на рисунку.
Полікристалічний кремній
Полікристалічний кремній є дешевшим і більш простим у виробництві. На відміну від монокристалічного кремнію, який є єдиним кристалом з регулярними гратами, полі-кремній це сукупність з маси різних кристалів, що утворюють єдиний шматок. Звідси з'являється специфічний відблиск, схожий на металеві пластівці, на поверхні сонячних батарей, виготовлених з нього.
Стрічковий кремній
Це тип полікристалічного кремнію. Він виготовляється шляхом наплавлення тонких шарів кремнію один на одного. Утворює полікристалічну структуру. Не вимагає наступного розпилювання, тому ще дешевше у виробництві. Однак він менш ефективний.