Принцип работы солнечной батареи

Современное человечество давно уже начало понимать, что энергия, получаемая из нефтяных продуктов и газа далеко не бесконечна, а с современные темпы ее потребления скоро сведут на нет мировые запасы топлива. Полезные ископаемые из которых можно добыть хоть немного энергии рано или поздно закончатся. Будущее в этом направлении энергетики лежит в направлении природных стихий. В частности к таким стихиям можно отнести ветер, воду и, конечно же, солнце. По какому принципу происходит работа солнечных батарей?

Немного истории

Принцип работы ветряного генератора и гидроэлектростанции в какой то мере схожи между собой, и не вызывают никаких затруднений в понимании, а вот преобразование энергии солнца в электроэнергию процесс не такой уж и простой, как может показаться на первый взгляд.

Если заглянуть в историю, то первым зарождением солнечной батареи можно считать 1839 год. Именно в этом году французский ученый физик Александр Эдмон Беккерель, занимающийся в то время изучением солнечного спектра и влиянием его на тела, провел эксперимент и смог визуально доказать наличие фотогальванического эффекта.

Конечно, это было только подобие солнечной батареи в том виде, в котором она известна широкому кругу людей на планете. Но спустя почти полвека, в Америке, ученым Чарльзом Фриттсом было создано подобие самой первой солнечной батареи. И хоть коэффициент полезного действия такой батареи был около одного процента, это событие стало началом работы над освоением нового источника энергии на планете. Источника, который со временем сможет соперничать с ветряными генераторами и гидроэлектростанциями.

Широкое использование солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности устройств были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космос в составе искусственного спутника земли. Этот полет показал, что работа солнечных батарей может не только снабжать энергией спутники, а является единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.

Устройство и принцип работы

В настоящее время солнечные преобразователи изготавливаются преимущественно из кремния. Различают два вида современных технологий, на основе которых работают батареи. Первая это поликристаллическая и монокристаллическая. Поликристаллическая более дешевая и как следствие менее эффективная технология. Монокристаллическая более дорогая, что связанно в основном с трудоемкой технологией производства, а точнее выращивания, монокристаллов.

Несмотря на большую стоимость по сравнению со своим собратом, такая солнечная батарея дает больше электроэнергии и срок службы ее значительно дольше. Что в совокупности делает монокристаллический солнечный модуль наиболее привлекательным для применения его в повседневной жизни.

Работа солнечного элемента связана с его конструкцией. Состоит он из внешних пластин, выполненных из кремния, с разными свойствами проводимости и внутреннего слоя, состоящего из чистого монокристаллического кремния. Внутренний слой обладает определенной проводимостью. Такую проводимость металла в физике называют еще дырочной проводимостью. Один из внешних проводников тоньше противоположного слоя и покрыт специальным слоем, образующим цельный металлический контакт.

Список электропродуктов можно посмотреть тут.

При попадании на один из внешних слоев солнечного света образуется фотогальванический эффект. Он приводит к образованию в этом слое свободных электронов. Эти частицы получают дополнительную энергию и способны преодолеть внутренний слой элемента. Его называют барьером. Чем больше объем солнечного света, тем интенсивнее происходит процесс прохождения или перепрыгивания частиц от одной внешней пластины к другой, минуя внутреннюю перегородку. При замыкании внешних пластин появляется напряжение. Та пластина, которая интенсивно отдает частицы, образуя в себе так называемые дырки, приобретает знак минус. А принимающая пластина — знак плюс.

Работа солнечных батарей — уникальное явление. Это замечательное изобретение человечества. Но что делать, если основным атрибутом работоспособности такой батареи это наличие солнечного света. Зимой и осенью природа не балует нас теплом. За окном приходиться наблюдать в основном пасмурную или дождливую погоду.

Как показывает опыт работы солнечных панелей в зимнее время, коэффициент выработки энергии уменьшается почти в пять раз. А если учесть, что производительность этих батарей в принципе ниже стандартных источников энергии. То это все делает солнечные батареи почти бесполезными зимой.

В довершение ко всему можно отметить трудоемкость обслуживания панелей в зимнее время года. Это усугубляется периодически выпадающим снегом.

Кстати что касаемо осадков, дождь это полбеды, а вот снег, который налипает на рабочие плоскости батарей, придется еще и чистить.

Причем следует чистить очень аккуратно и тщательно. Поскольку каждая царапина или любое другое механическое повреждение отдельных блоков снижает эффективность панели в целом. Про осадки в виде града можно даже не вспоминать. Потому что они влекут за собой не просто низкую выработку электричества, но и механические повреждения модулей и дальнейшие затраты на их восстановление.

И все же, можно увеличить выработку электроэнергии в пасмурный период. Зимой очень востребованы специализированные аппараты слежения за солнцем, позволяющие моноблоку находиться постоянно под нужным углом к солнцу. Это необходимо, потому что при отклонении поверхности солнечной батареи от солнечных лучей производительность уменьшается. И чем больше угол, тем меньше электроэнергии поступает к источнику. Такие аппараты называются гелиостаты.

Из всех особенностей, использования солнечных батарей в зимнее время года, можно отметить только один плюс, это постоянное охлаждение панели. Дело в том, что нагрев пагубно влияет на выработку тока, поэтому зимой можно не задумываться о наличии специальных охладительных систем.

Перспективы

Научная деятельность по улучшению солнечных батарей не стоит на месте. С каждым днем выдвигаются свежие теории. Также проводятся новые исследования, как в области конструкции, так и в области применяемых материалов для изготовления панелей. Многое уже поменялось с момента изобретения первого прототипа. И если раньше солнечная батарея была больше техническим прорывом и неким чудом науки. То сейчас это изобретение человеческого разума все чаще и настойчивее заявляет свои права на звание самого экологически чистого и мощного устройства для выработки электрического тока на планете.

В промышленном масштабе основным материалом для качественной работы солнечных батарей применяют кремний. Кремний принадлежит группе самых распространенных на планете веществ. Единственный минус это его не однородность. В чистом виде, необходимом для производства кремний не встречается. А, наоборот, включает в себя уйму ненужных примесей. От которых приходиться избавляться для применения его в изготовлении солнечных модулей. В связи с этим не останавливается освоение новых материалов, которые будут эффективнее вырабатывать электрическую энергию. Сейчас в разработках ученых фигурируют диселенид кадмия и меди, а также теллурид кадмия.