Конспект лекций ташкент- 2015

Принцип работы солнечных батарей

Принцип работы фотоэлементов, из которых состоит солнечная батарея, основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Рис.9.1. Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой

Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (лучи → нагревание воды → пар → вращение турбины → электричество), меньше энергии теряется на переходы.
Ток в «n»–слое создается движением электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в «p»–слое создается «движением дырок». «Дырка» – атом, который потерял электрон, соответственно, создает перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» (движение «дырок»), хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются.
На стыке слоев с n– и p–проводимостью создается p–n–переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.
Когда лучи света попадают на n–слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p–n–перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь, через нее начнет течь ток (рис. 9.3).
Разность потенциалов, а соответственно и электродвижущей силы (ЭДС), которую может создавать фотоэлемент, зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).
Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарльза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом (рис.10.4). Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты – около 1% КПД.


Рис.9.2. Схема солнечной фотоэлектрической батареи (с аккумуляторами) и коммутация с электросетью



Рис.9.3 Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость)
Рис. 9.4. Химические элементы – селен и золото
Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Компания нуждалась в источнике электроэнергии для телефонных станций, и, можно сказать, была первой компанией, которая использовала альтернативный источник на солнечной энергии.
Кремний (рис. 9.5) до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) – второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема – его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические вещества.

Рис.9.5. Химический элемент – кремний

Наибольшее распространение получили солнечные фотоэлектрические установки на основе кремния трех видов: монокристаллического, поликристаллического и аморфного.

Для фотопреобразователей из монокристаллического кремния в лабораторных условиях на опытных образцах достигнут КПД 24%. На малых опытных модулях – 18%. Для поликристаллического кремния эти рекордные значения равны 17 и 16 %, для аморфного кремния на опытных модулях достигнуты КПД около 11 %.
Все эти данные соответствуют так называемым однослойным фотоэлементам. Кроме того, используются двух– и трехслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получен КПД 30%, а для трехслойного 35–40%.
Солнечные лучи, которые достигают поверхности Земли, подразделяют на два вида: прямые и рассеянные. Прямые солнечные лучи – это те, которые берут начало у поверхности Солнца и достигают поверхности Земли. Мощность прямого солнечного излучения зависит от чистоты (ясности) атмосферы, высоты Солнца над линией горизонта (зависит от географической широты и времени дня), а также от положения поверхности по отношению к Солнцу. Рассеянные солнечные лучи поступают из верхних слоев атмосферы и зависят от того, каким образом прямые солнечные лучи отражаются от Земли и окружающей среды. Благодаря повторяющемуся процессу отражения между покрытой снегом поверхностью Земли и нижней стороной облаков мощность рассеянного солнечного излучения может достигать больших значений.
Солнечные лучи несут с собой неиссякаемый поток энергии. Они постоянно доставляют на Землю большее количество энергии, чем нам сегодня необходимо. Плотность солнечных лучей в космосе составляет примерно 1,4 кВт/м². Из них около 30% отражается назад в космос, так и не достигнув Земли. На земной поверхности плотность солнечных лучей составляет около 1 кВт/м². Солнечная энергия, достигшая поверхности Земли, несет с собой тепло, испаряет воду, образует ветер и движение воды в морях и океанах, дает жизнь растениям.
Та солнечная энергия, которая непосредственно не поглощается на Земле, отражается в космос. Земля находится в постоянном тепловом балансе с окружающей ее средой. Если бы этого не происходило, то Земля нагревалась бы все сильнее и в результате всякая жизнь на ней оказалась бы невозможной.