Сонячні батареї. Види і пристрій. Робота і застосування

Останнім часом активно розвиваються технології отримання альтернативної енергії. Це сонячні батареї (СБ), вітрові станції і ряд інших пристроїв. Особливо перспективними вважаються СБ або так звані фотоелектричні панелі, адже з урахуванням майже вічного життя сонця така енергія є невичерпною. Незважаючи на їх поки що порівняно високу вартість, вони забезпечують отримання безкоштовної і екологічно чистої енергії. Проте, ціни на СБ рік з року знижуються, що свідчить про великі перспективи їх повсюдного впровадження.

Пристрій сонячних батарей

Сонячна батарея являє систему напівпровідникових пристроїв у вигляді фотоелектричних перетворювачів, які перетворюють енергію сонця в постійний електричний струм із застосуванням принципу фотоефекту.

1 - Контролер
2 - Батарея
3 - Інвертор
4 - Модуль
5 - Електрообладнання

Сонячна батарея включає в себе наступні елементи:

• Матеріал-напівпровідник , Що складається з двох шарів матеріалів з різною провідністю. Наприклад, це може бути полікристалічний або монокристалічний кремній із залученням інших хімічних сполук для створення принципу фотоефекту pn переходу. Тобто, один матеріал має недолік електронів, а інший - їх надлишок.
• діелектрик , Найтонший шар елемента, який протистоїть переходу електронів.
• джерело електроживлення . При його підключенні до протистоїть шару, запірна зона легко долається електронами. В результаті з'являється впорядкований рух заражених частинок, тобто електричний струм.
• акумулятор . Забезпечує накопичення та збереження енергії.
• Штатний контролер заряду .
• Інвертор-перетворювач . Виробляє перетворення постійного струму, що йде від сонячної батареї, в змінний.
• Стабілізатор напруги . Забезпечує в системі сонячної батареї створення напруги необхідного діапазону.

Принцип дії

• Сонячне світло у вигляді фотонів світла потрапляє на поверхню сонячної батареї.
• При зіткненні з поверхнею напівпровідника фотони передають енергію електронів напівпровідника.
• Електрони, вибиті з напівпровідника внаслідок удару, долають захисний шар, маючи при собі додаткову енергію.
• В результаті негативні електрони переходять в провідник n з p-провідника, а позитивні роблять зворотний маневр. Подібного переходу сприяють електричні поля, які на даний момент є в провідниках. Згодом вони збільшують різницю і силу зарядів.

Якщо батарея, освітлена сонцем, замкнута на певне навантаження з опором R, то спостерігається поява електричного струму I. Його величина визначається опором навантаження, інтенсивністю освітлення і якістю фотоелектричного перетворювача. Потужність P, що виділяється в навантаженні визначається формулою P = I * U, де U показує напругу на затискачах батареї.

види

Залежно від застосовуваних матеріалів сонячні батареї можуть бути:

• Панелі з монокристалічних фотоелектричних елементів. Вони ефективні, проте дорожчі, ККД становить 14-16%. У монокристалічних елементів багатокутна форма, внаслідок чого всю площу заповнити важко;
• Панелі з аморфного кремнію. Такі батареї демонструють низький ККД в межах 6-8%. Але серед кремнієвих технологій перетворювачів у них найбільш дешева електроенергія;
• Панелі з телуриду кадмію виконуються на базі плівкової технології. Нанесення напівпровідникового шару здійснюється шаром в декілька сотень мікрометрів. ККД становить 11%, але в порівнянні з кремнієвими батареями ват потужності обходиться дешевше на десятки відсотків;
• Панелі на базі напівпровідників CIGS, які складаються з селену, галію, індію та міді. ККД таких панелей доходить до 15%;
• Полімерні панелі. Це різновид тонкоплівкових батарей, принцип роботи яких нагадує фотосинтез рослин. Включає шар полімеру, захисний шар, гнучку підкладку і алюмінієві електроди. ККД 5-6%;
• Найбільш поширеними внаслідок оптимального співвідношення ККД і ціни є панелі з полікристалічних фотоелектричних елементів. Їх ККД досягає 12-14%.

СБ також можна умовно розбити на наступні типи:

• Тонкоплівкові або гнучкі (на базі телуриду кадмію, кристалічні і аморфні);
• Жорсткі (з кристалічного кремнію, іноді аморфного);
• Односторонні (поглинають світло однією стороною);
• Двосторонні (поглинають світло обома сторонами).

Особливості

• Заряд акумуляторної батареї при слабкому сонячному світлі зменшується, віддаючи електроприймачів електричну енергію, тобто йде постійна робота в режимі зарядки і розряду. Контроль виконується спеціальним контролером.
• СБ не вимагають ніяких спеціальних профілактичних робіт. Може знадобитися лише протирання пилу.
• Панелі можна використовувати і взимку, однак продуктивність в цей період зменшується в півтора-два рази. Щоб на панелях не накопичується сніг, їх слід встановлювати під кутом 70 градусів на узвишші.
• Сонячні батареї найкраще підійдуть для автономних систем, в яких багато побутових енергоефективних електроприладів, які не включені постійно.

застосування

Сонячні батареї можуть застосовуватися практично повсюдно:

• Електромобілі.
• Портативна електроніка.
• Калькулятори, ліхтарики, плеєри і так далі, тобто всюди, де потрібно підзарядки акумуляторів різної побутової електроніки.
• Авіація. Так створений літак Solar Impulse, що працює тільки на сонячній енергії.
• Енергозабезпечення будинків, шкіл, аеропортів та інших будівель. Сонячні батареї широко використовуються в субтропічних і тропічних регіонах, де багато сонячних днів. Особливо популярні вони в країнах Середземномор'я.
• Використання в космосі. СБ ставлять на МКС, встановлюють на супутниках, космічних і міжпланетних апаратах, а також багато іншого.

Достоїнства і недоліки

Серед переваг можна відзначити:

• екологічність;
• Довговічність, фотоелементи служать кілька десятків років;
• Простий принцип роботи. Завдяки чому поломок в сонячній батареї практично не буває;
• безшумність;
• Можливість постійної роботи;
• Не потрібно палива;
• загальнодоступність;
• Можливість зміни потужності системи.

Серед недоліків можна відзначити:

• Низький ККД. Потрібна велика площа батарей, щоб забезпечити потреби навіть невеликої сім'ї;
• Складність складання системи і налагодження;
• Досить висока вартість сонячних батарей, а також низька окупність системи.

перспективи

Прагнення людства до екологічності та відмови від нафти призведе до запровадження все більших енергозберігаючих технологій. Це означає, що сонячні батареї будуть використовуватися повсюдно. А створення панелей з більш високим ККД дозволить:

• Обладнати більшість будівель панелями для отримання енергії;
• Монтувати їх в автомобілі, дороги, роботи і численні інші прилади;
• Встановлювати їх в одяг і навіть імплантувати в людини. Південнокорейські вчені вже створили підшкірну сонячну батарею, яка в 15 разів тонше волосся. Вона забезпечує безперебійну роботу приладів, які імплантовані в тіло, наприклад, кардіостимулятора.

Схожі теми: