Все статьи

×

15.02.2022

Строительство и ремонт
Глаз

3471

Время чтения: 16 минут

Типы и формы солнечных батарей: принцип работы

Глаз

976

Время чтения: 16 минут
Сохранить статью Сохранить статью:
Сохранить статью:

Существуют различные типы солнечных батарей. Отличаются они параметрами, размерами, технологией производства, сроком эксплуатации. Пожалуй, самые важные пункты, которые необходимо учитывать при выборе этого альтернативного источника энергии – КПД и цена.

Есть батареи, покрытие которых изготовлено из инновационных материалов, редкоземельных металлов, их КПД превышает КПД наиболее распространенных моделей. Однако высокая стоимость последних нивелирует данное преимущество и делает их бесполезными в плане краткосрочной или среднесрочной окупаемости. О том, какие существуют типы солнечных батарей и что подойдет лучше всего для бытового использования, вы узнаете из нашего материала.

Польза солнечных батарей

Важнейшим источником энергии для нашей планеты является Солнце. Всего за 40 минут оно способно обеспечить энергетические потребности населения Земли на целый год вперед. А с учетом того, что наше светило предоставляет фактически неисчерпаемые ресурсы, их использование становится весьма перспективным. К тому же, солнечная энергия считается наиболее безопасной и экологичной, а потому и все более востребованной в различных областях человеческой деятельности.

Польза солнечных батарей Фото: ozon.ru

Извлекать конкретную пользу от энергии Солнца позволяют специальные устройства — солнечные батареи. Они представляют собой плоские панели, преобразующие солнечное излучение в электроэнергию. Популярность использования этих устройств с каждым годом растет.

Установка нескольких блоков таких панелей должна решать основную задачу — преобразование энергии Солнца в электрическую и обеспечение ею жилых и промышленных объектов без использования централизованной электросети. На данный момент использование солнечных батарей является наиболее эффективным и при этом экологически чистым способом превращения света в электроток. Все остальные альтернативные источники электроэнергии дают куда меньшую эффективность.

Каждая панель состоит из модулей с фотоэлементами, способными поглощать солнечное излучение и преобразовывать его в электрический ток с напряжением 220 В.

Существует несколько форм солнечных батарей. Чаще всего эти изделия имеют вид прямоугольников размером с лист шифера. Каждая такая панель вмещает 36 фотоэлементов, покрытых специальной пленкой или стеклом. Принцип действия устройства следующий. Солнечное излучение образует свободные электроны, которые проникают в панель через соединения и специальные туннели, накапливаясь внутри батареи в виде постоянного тока.

Как только этот ток достигает нужного значения, он преобразуется в переменный с напряжением в 220 В. Для этих целей используется инвертор. Чтобы обеспечить электрической энергией один дом хотя бы частично, требуется установка нескольких таких панелей.

История создания солнечных батарей

Сама идея использования бесплатной и безграничной солнечной энергии витала в умах человечества еще в давние времена. Впервые она была реализована в виде солнечных коллекторов (термальных электростанций), принцип работы которых существенно отличался от современных батарей. Вторая реализация уже представляла собой солнечные панели в нынешнем их виде. Эта попытка была достаточно удачной, давшей возможность массово обеспечивать электричеством самые разные объекты.

Несмотря на относительно короткий срок существования солнечной энергетики, она является следствием множества открытий и разработок. Но ключевым событием в области использования энергии Солнца послужило открытие явления фотоэлектрического элемента в середине позапрошлого века французским ученым Александром Эдмоном Беккерелем.

Позднее, в 1873 году, английским инженером Уиллоби Смитом был подмечен эффект фотопроводимости в селене. Наконец, спустя еще несколько лет был создан первый фотоэлемент. Американский изобретатель Чарльз Фриттс использовал для этого тонкий слой селена, расположив его между золотой и медной пластинами. КПД устройства, правда, составлял всего 1%.

Далее последовал целый ряд открытий. Так, в 1887 году Генрихом Герцем был открыт внешний фотоэффект, а двумя годами позже русский ученый Александр Столетов впервые описал закономерности, по которым этот фотоэффект происходит. Для этого изобретатель соорудил специальную установку, внутри которой из света удалось получить электрический ток. Альберт Эйнштейн также оставил свой след в этой области, объяснив в начале 20 века принцип фотоэлектрического эффекта с точки зрения квантовой механики, в связи с чем был удостоен Нобелевской премии.

Прототипы современных солнечных батарей появились благодаря разработкам итальянского ученого Джакомо Луиджи Чамичана. Последующие научные работы в области полупроводников послужили основой для синтеза кремниевых фотоэлементов в 1954 году, эффективность которых составила уже 4%. Позднее КПД был повышен до 15% компанией Bell Telephone, впервые разработавшей данные элементы.

После этого солнечные панели установили в некоторых городах и селах как автономный источник питания телефонной связи. Эта система успешно функционировала долгие годы. В космической отрасли также активно использовались фотоэлементы, которыми оснащались и продолжают оснащаться спутники, в том числе с использованием других полупроводников.

Принцип работы солнечных батарей

Работу солнечных панелей можно представить в виде следующих процессов:

  • Поглощение кремниевой поверхностью батареи фотонов солнечного света.
  • Взаимодействие фотонов с атомами кремния. При этом происходит отрыв электронов поверхности, что приводит к появлению напряжения. Свободные электроны под действием разницы потенциалов начинают двигаться, в итоге образуется электрический ток. Солнечная панель является полупроводником, поэтому она упорядочивает ток в одном направлении.
  • Преобразование полученного электрического тока в постоянный. На этом этапе энергия аккумулируется в батарее и направляется к потребителю.

Принцип работы солнечных батарей Фото: ozon.ru

При изготовлении солнечных батарей используется кварцевый песок, содержащий в себе необходимую двуокись кремния. В процессе синтеза данное сырье плавят при высоких температурах с добавлением других химических элементов. Этим достигается очистка кремния до степени 99%, требуемой для работы батарей. Производство кремниевых панелей достаточно дорогостоящее, поэтому сегодня разрабатываются фотоэлементы на основе иных, полимерных материалов. КПД таких прототипов достигает 30%.

Солнечные панели отличаются друг от друга гибкостью и жесткостью в зависимости от состава рабочего слоя и конструктивных особенностей. Большую популярность сегодня набирают гибкие изделия, выгодно выделяющиеся простотой монтажа даже на вертикальных поверхностях. Это качество позволяет добавлять к архитектуре зданий черты практичного и инновационного хайтека.

По составу фотоэлектрического слоя различают:

  • Полимерные панели (КПД 7%).
  • Теллурий-кадмиевые панели на основе галлия, меди, селена и индия (КПД до 15%).
  • Кремниевые панели (КПД 7% в аморфной, КПД 15% в монокристаллической, КПД 13% в поликристаллической модификациях).
  • Панели с использованием арсенида галлия.
  • Органические панели.
  • Комбинированные панели.

Чаще всего покупают наиболее дешевые кристаллические батареи, несмотря на то, что они наименее эффективны.

Основные типы современных солнечных батарей

Итак, самыми популярными на сегодня являются моно- и поликристаллические, а также тонкопленочные изделия. Эти типы различаются между собой и технологией производства, и внешним видом, и КПД.

Следует рассмотреть плюсы и минусы всех разновидностей.

Разновидность Преимущества Недостатки

Монокристаллические

  • Высокий КПД
  • Привлекательный внешний вид
  • Дороговизна

Поликристаллические

  • Дешевизна
  • Относительно низкий КПД

Тонкопленочные

  • Компактность и гибкость
  • Небольшой вес
  • Привлекательный внешний вид
  • Относительно низкий КПД

Далее разберем более подробно эффективность каждого вида солнечных батарей и особенности их использования.

Все фотоэлементы производятся на основе какого-либо полупроводника, ответственного за преобразование солнечного излучения в электроэнергию. В качестве такового обычно выступает кремний. Отличить различные типы панелей можно по цвету.

  • Монокристаллические имеют черные ячейки.
  • Поликристаллические отличаются ячейками синего цвета.
  • Цвет элементов тонкопленочных панелей бывает разным в зависимости от материала полупроводника. Отличительным признаком этих изделий является их гибкость.

Моно- и поликристаллические панели

Оба варианта конструктивно идентичны. Из кремниевых фотоэлементов создаются ряды, а те в свою очередь формируют панели в виде прямоугольников. Изделия защищаются стеклянным покрытием и герметичной рамкой.

Моно- и поликристаллические панели Фото: ozon.ru

В обоих случаях используется кремний, но его качество и формы отличаются. Для монокристаллических панелей применяют цельный кремниевый кристалл. Поликристаллические же элементы собираются из небольших фрагментов кремния, переплавленных и спрессованных между собой.

Тонкопленочные панели

Здесь используется уже кремний в аморфной (некристаллической) форме. Этим материалом методом напыления покрывается гибкая основа, из которой в свою очередь формируется готовая панель.

В настоящее время производятся новые модели тонкопленочных батарей, в которых используют теллурид кадмия. Данный материал существенно эффективнее аморфного кремния.

Реже для производства тонкопленочных панелей применяют медь, индий и галлий.

Солнечные батареи из редких металлов

Существуют гораздо более дорогие модели солнечных батарей, обладающие достаточно высоким КПД. Их высокая стоимость обусловлена применением редких дорогостоящих металлов. Тем не менее, особенные характеристики данных изделий присутствуют на рынке в своей ценовой категории высокотехнологичных устройств.

Однако не все изделия, выполненные на основе редких металлов, обладают более высоким КПД по сравнению с классическими кремниевыми панелями. Этот класс устройств тем не менее отличается способностью функционировать в суровых условиях. Данное качество позволяет производить высококонкурентный продукт и проводить дальнейшие исследования в этой области.

Солнечные батареи из редких металлов Фото: Shutterstock

В основном здесь используются теллурид кадмия, селенид сплава из индия, меди и галлия, а также селенид индиево-медного сплава.

Однако кадмий токсичен, а индий, теллур и галлий достаточно редкие, а потому очень дорогие. Этим объясняется практическая и даже теоретическая невозможность массового производства батарей на основе данных металлов.

Тем не менее, эти материалы дают высокий КПД на уровне 25-35%, иногда доходящий до 40%. Изначально они использовались преимущественно в космической отрасли.

Стабильность в работе фотоэлементов на основе редких металлов при температурах 130-150 градусов Цельсия позволяет внедрять их в солнечных тепловых электростанциях. В таких системах несколько десятков зеркал концентрируют лучи Солнца на небольшой панели. При этом помимо генерации электроэнергии обеспечивается теплопередача водяному теплообменнику.

Вода нагревается и испаряется. Полученный пар приводит в движение турбину и тем самым производит электрическую энергию. Таким образом, солнечное излучение преобразуется в электричество одновременно двумя независимыми путями с максимально возможным КПД.

Полимерные и органические солнечные батареи

Разработка первых органических и полимерных фотоэлементов началась лишь в последние 10 лет. Однако внушительные результаты ученые уже получили. Наибольших успехов достигла компания Heliatek, успев оснастить эффективно работающими солнечными батареями на органической основе несколько высотных домов.

Рулонная пленочная панель HeliaFilm, разработанная этой компанией, имеет толщину всего 1 мм. Производится это изделие из углеродных фуллеренов, фталоцианина меди, полифенилена и других органических соединений. Производителю удалось достигнуть КПД в районе 14-15%, при том что стоит такая продукция на несколько порядков ниже, чем кристаллические панели.

Полимерные и органические солнечные батареи Фото: Shutterstock

Однако у этих панелей не решен пока вопрос с вероятной деградацией органики. Подтвердить сохранение высокого КПД рабочего слоя после нескольких лет эксплуатации на данный момент нельзя.

В целом органические панели выгодно выделяются следующими качествами:

  • Можно утилизировать без вреда для экологии.
  • Недорогое производство.
  • Гибкость конструкции.

Из существенных недостатков стоит отметить невысокий КПД и отсутствие реально подтвержденных сроков стабильной работы. Вероятно, через несколько лет эти минусы устранятся. И тогда органические фотоэлементы будут уже плотно конкурировать с кремниевыми панелями.

Какие солнечные батареи лучше

Наиболее оптимальный тип этих батарей следует определять в зависимости от назначения изделий и места их монтажа. Скажем, жилые здания со значительной площадью кровли хорошо подойдут для установки поликристаллических панелей. Они являются самыми доступными в этом случае и выдают хороший КПД.

Таким образом, кристаллические фотоэлементы являются оптимальным выбором для домов. Меньшей эффективностью обладают тонкопленочные панели, поэтому на больших зданиях их практически не монтируют. Они подойдут для коммерческих построек, не способных выдержать вес традиционных батарей.

Солнце помимо тепла и света дает нам энергию в неисчерпаемых количествах. В прежние времена ее использовали лишь в промышленности и космической отрасли. Сегодня же солнечное излучение все чаще применяется в быту в качестве альтернативного источника электроэнергии. В качестве примеров удачного бытового использования можно назвать водонагреватели на солнечных батареях, светильники на фотоэлементах, зарядные станции для мобильных устройств и т. д.

Раньше считалось, что энергия Солнца обладает лишь двумя весомыми преимуществами — экологичностью и неисчерпаемостью. Сегодня выявлено уже значительно больше объективных плюсов данной технологии.

-->

Читайте также