Как работают солнечные батареи и солнечное электричество

1. Солнечное электричество в действии
2. Внутренняя работа солнечных батарей
3. Типы солнечных батарей
4. Монокристаллические клетки
5. Поликристаллические клетки
6. Тонкопленочные солнечные элементы
7. Проблемы эффективности
8. Взвешивание за и против солнечного
9. Плюсы
10. Минусы
11. Будущее солнечной технологии
12. Может ли Солнце спасти мир?

Солнечное электричество повсюду вокруг нас, от карманных калькуляторов на солнечных батареях до спутников и домов, привязанных к солнечным батареям. Вы можете даже увидеть солнечную энергию на пути к работе, когда проезжаете аварийные дорожные знаки, телефонные будки или измерители скорости. Этот «бесплатный» источник энергии в значительной степени удовлетворяет наши современные потребности в электроэнергии и в конечном итоге прокладывает путь к будущему устойчивой энергетики. Но будет ли этого достаточно, чтобы освободить нас от ископаемого топлива? Время покажет. Так как именно работают солнечное электричество и солнечные батареи? Там нет переключателя, иногда даже батареи для зарядки. Мы просто зависим от того гигантского газового шара в небе (Солнце), чтобы обеспечить наши потребности в этом мире.

Солнечное электричество в действии

Солнечное электричество на самом деле не является чем-то новым. В 1839 году французский ученый Александр Эдмон Беккерель обнаружил, что такой материал, как металл, испускает искры электричества при воздействии солнечного света. Этот эксперимент проложил путь для исследований других ученых, таких как Альберт Эйнштейн, которые позже назвали этот процесс фотоэлектрическим эффектом .

Фотоэлектрический эффект возникает, когда электроны выбрасываются с поверхности твердого материала, такого как металл, под воздействием солнечного света. Любой материал, который реагирует на это воздействие солнечного света, считается фотоэмиссионным материалом , а выбрасываемые электроны называются фотоэлектронами . Не позволяйте условиям сбить вас с толку; на самом деле ничто не отличается от электрона, который испускается под воздействием солнечного света, чем электрон, который летит по цепи от батареи или от прямого источника питания. Все они выполняют одну и ту же работу и остаются одинаковыми по массе, заряду, вращению и магнитному движению.

Электроны выбрасываются из материала, основанного на типе электромагнитного излучения. ( Источник изображения )

С фотоэлектрическим эффектом, установленным Эйнштейном в камне, мир вскоре превратился в создание первых фотоэлектрических (PV) элементов из селена. Это было только начало, и в 1950-х годах Bell Labs разработала фотоэлемент, достойный удовлетворения сегодняшних потребностей солнечной энергии в кремнии. Этот первый кремниевый фотоэлемент достиг колоссального преобразования энергии на четыре процента, но в то время изобретение было новаторским.

Реклама Bell Labs с 1954 года!

С 1950-х годов кремниевые фотоэлементы продолжают повышать свою эффективность, но то, как они функционируют в системе солнечных батарей, остается в основном таким же. Вот процесс на высоком уровне, прежде чем мы углубимся в детали

• Частицы света, называемые фотонами, сначала проникают в фотоэлемент, который передает свою энергию, чтобы потерять электроны. Эти электроны сбиваются с их орбиты в атоме кремния.
• Свободные электроны затем ищут путь наименьшего сопротивления к пустой дыре в другом атоме, но, как и все другие методы манипулирования электронами, мы сначала заставляем их выполнять некоторую работу, путешествуя по цепи.
• Когда электроны покидают солнечный элемент в виде электрического тока, они проходят через проводной канал и попадают в инвертор. Это устройство преобразует постоянный постоянный ток (DC) в переменный ток (AC), который может обеспечить электроэнергией дома, предприятия, электростанции и даже электрическую сеть.
• Как только наши устройства и инфраструктура будут запитаны, электрический ток будет течь обратно через цепь солнечной системы, находя покой в ​​твердом контактном слое в нижней части солнечной панели, чтобы создать замкнутый контур.

Здесь мы видим типичную солнечную батарею, установленную в жилом доме. ( Источник изображения )

Внутренняя работа солнечных батарей

Каждая солнечная панель состоит из набора отдельных солнечных элементов , и именно внутри этих элементов происходит превращение световой энергии в солнечное электричество. Солнечные элементы обычно состоят из двух внутренних слоев полупроводниковых пластин. Возможно, вы слышали об этом материале, поскольку в настоящее время он используется в микропроцессоре вашего компьютера и интегральных микросхемах (ИС), которые вы можете использовать на печатной плате (PCB).

По сравнению с другими материалами, которые позволяют электричеству легко протекать через них (проводники) или не протекают вообще (индукторы), кремний находится где-то посередине, не полностью проводя и не изолируя электричество. Отсюда и название полупроводник.

Кристалл кремния в своем первоначальном виде, один из самых распространенных минералов в мире. ( Источник изображения )

В чистом виде кремний обычно не проводит электричество, потому что 10 из его 14 электронов уже спарены. Тем не менее, внешняя оболочка кремния имеет только половину (4) столько электронов, сколько ей нужно, и поэтому она стремится соединиться с другими соседними атомами, чтобы собрать оставшиеся электроны и найти баланс. Мы нашли способ извлечь выгоду из этого дефицита электронов, поощряя кремний проводить электричество через процесс легирования.

Легирование - это процесс добавления вторичного атома в кристаллическую структуру кремния, который изменяет количество электронов в материале. Например, если вы дополняете кремний фосфором, который имеет пять электронов во внешней оболочке, у вас теперь есть девять полных электронов и один дополнительный электрон, которыми можно манипулировать, чтобы вырваться на свободу и создать электрический ток. Когда электрон высвобождается в легированном кремнии, он считается свободным носителем и будет перемещаться, чтобы найти свободное место для отдыха.

В солнечных элементах нижний слой кремния легирован бором, который придает кремнию положительный заряд, называемый кремнием n-типа. Верхний слой кремния легирован фосфором, который придает этому слою кремния отрицательный заряд, называемый кремнием р-типа. И когда вы соединяете эти два слоя кремния n-типа и p-типа, вы создаете соединение, называемое PN-соединением.

Здесь вы можете увидеть PN-переход в типичном солнечном элементе. ( Источник изображения )

В этот момент электроны будут двигаться, пытаясь устранить свой дисбаланс и в процессе создания электрического поля. Это поле действует как стандартные диодные компоненты , позволяя электронам течь только из слоя p-типа в слой n-типа. Проблема в том, что, хотя электроны в слое p-типа могут попасть туда, куда им нужно, электроны n-типа блокируются PN-переходом. Что им делать?

Добавив внешнюю цепь поверх слоя n-типа в солнечном элементе, вы обеспечите путь для ваших электронов n-типа добраться до желаемого места назначения в слое p-типа. Следуя по пути наименьшего сопротивления, электроны n-типа будут затем протекать через набор тонких проводов, вокруг всей цепи, чтобы обеспечить электроэнергию для наших домов, и завершать цепь, когда они собираются в слое p-типа. Этот обмен между кремнием n-типа и кремнием p-типа происходит снова и снова, когда световые фотоны выбивают электроны, и поэтому мы получаем постоянный поток тока от наших солнечных элементов.

Типы солнечных батарей

Отдельный солнечный элемент будет генерировать только несколько ватт энергии, поэтому их необходимо сгруппировать для выполнения тяжелой работы. Когда вы объединяете солнечные элементы в единое целое, вы создаете солнечный модуль . Затем эти модули могут быть снова объединены в одну солнечную панель . На крыше дома вы обычно найдете сотни солнечных батарей, упакованных в набор панелей. На больших солнечных фермах вы найдете тонну солнечных панелей, собранных вместе в массивные металлические каркасы, которые образуют солнечные батареи для выработки тонны солнечного электричества.

Будь то солнечная панель или солнечная батарея, солнечные элементы существуют не просто в изоляции. Кремний является высокоотражающим материалом, и если мы подвергнем его воздействию солнечного света, весь свет от него отразится. Чтобы решить эту проблему, производители обычно наносят на кремний антибликовое покрытие, чтобы минимизировать потери при захвате световой энергии. Этот покрытый кремний затем будет покрыт стеклянной крышкой, которая придает солнечному элементу свой типичный синий / черный непрозрачный цвет.

Независимо от того, сколько солнечных элементов вы упаковываете в панель, все они могут быть разбиты на один из трех типов:

Монокристаллические клетки

Эти солнечные элементы сначала изготавливаются из длинных кремниевых цилиндров, а затем нарезаются на тонкие пластины. Процесс изготовления монокристаллических ячеек очень точный и позволяет получать ячейки, которые имеют самый высокий рейтинг эффективности среди всех типов - 23%.

Поликристаллические клетки

Эти солнечные элементы сначала изготавливаются из литых расплавов кремния, которые затем нарезаются на тонкие квадраты. Производственный процесс для поликристаллического является недорогим по сравнению с монокристаллами, но также приводит к более низкой эффективности преобразования энергии, около 20%.

Моно (одиночные) и поликристаллические ячейки бок о бок. ( Источник изображения )

Тонкопленочные солнечные элементы

Эти солнечные элементы почти в 100 раз тоньше, чем монокристаллические или поликристаллические, и вы можете найти их изготовленными из альтернативных материалов, таких как теллурид кадмия (CdTe) или диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Благодаря своей легкости и гибкости, эти ячейки «второго поколения» могут быть применены к различным материалам подложки, таким как металл, пластик или стекло. Однако это повышение гибкости также приводит к снижению эффективности примерно на 7-12%.

Тонкопленочные солнечные элементы имеют дополнительную гибкость и легкость. ( Источник изображения )

Проблемы эффективности

В этот момент вы можете задаться вопросом - почему в мире мы производим солнечные элементы, которые захватывают не более 20% доступного солнечного света? Даже теоретические максимумы эффективности солнечных элементов ограничивают их до 30% в соответствии с Лимит Шокли-Кейзера , В чем здесь проблема?

Солнечный свет не только производит один вид фотона. Если вы когда-либо видели электромагнитный спектр, то вы знаете, что свет на самом деле бывает разных видов, многие из которых невидимы. Все эти спектры света основаны на определенной частоте и длине волны.

Солнечный свет производит множество фотонов, только небольшую часть которых мы можем видеть. ( Источник изображения )

Кремний оптимизирован только для захвата определенной полосы частот фотонов. Например, некоторые фотоны, попавшие в кремниевую ячейку, не имеют достаточно энергии, чтобы выбить электроны. Другие фотоны могут иметь слишком много энергии и могут выбить электрон, но любая избыточная энергия будет потрачена впустую. Существует только точное количество энергии фотонов, измеряемое в электрон-вольтах (эВ), которое требуется, чтобы выбить электрон. Для кремния около 1,1 эВ сделает работу. Любая энергия фотона выше и ниже этого порога в конечном итоге превращается в потерянный потенциал.

Материалы имеют определенные энергетические запрещенные зоны, где они могут поглощать световую энергию. ( Источник изображения )

Полоса частот фотонов - не единственная проблема, влияющая на эффективность использования солнечной энергии. Существует также проблема того, как далеко электроны должны перемещаться в пределах солнечной панели, пока они не достигнут своего предполагаемого пункта назначения. Поскольку кремний является полупроводником, любой движущийся по нему электрон столкнется с довольно высоким сопротивлением. Чем дальше вы помещаете свои клеммные контакты из кремниевого материала на панель, тем дальше должны перемещаться ваши электроны, и, следовательно, тем больше сопротивление. Как знает любой осведомленный разработчик электроники, чем выше сопротивление, тем больше энергии вы теряете.

Чтобы свести к минимуму эту потерю, солнечные элементы обычно покрыты металлической сеткой, которая сокращает расстояние, которое они должны пройти до соединения терминала. Некоторые производители также используют солнечные элементы, изготовленные из различных материалов, каждый из которых имеет разную ширину запрещенной зоны . Этот многокомпонентный набор позволяет поглощать больше частот фотонов, что увеличивает общую эффективность солнечного элемента.

Взвешивание за и против солнечного

Стоит ли солнечная технология? Если использовать солнечную энергию как единственное средство производства энергии, она по-прежнему сталкивается со многими проблемами. Тем не менее, при использовании в сочетании с другими источниками электроэнергии, вы найдете солнечную энергию в лучшем виде.

Солнечная система по-прежнему используется, даже в облачных местах. ( Источник изображения )

Плюсы

Возьмем, к примеру, способность солнечных панелей генерировать электричество по мере необходимости в непосредственной близости. Дом, оборудованный солнечными батареями на крыше, будет производить электричество именно там, где это необходимо. Это может помочь коммунальным предприятиям избежать чрезмерного спроса и нагрузки на свои системы распределения и передачи, позволяя домам или предприятиям получать свои потребности в электроэнергии на месте с помощью солнечных батарей.

В жаркий летний день, когда все работают на полную мощность, солнечные батареи обеспечивают идеальный энергетический баланс. У вас есть непосредственные энергетические потребности, удовлетворяемые солнечными батареями, что снижает нагрузку на системы передачи от сети. Все это приводит к меньшему количеству отключений и, в конечном счете, к системе, менее зависимой от единственной точки отказа для питания мира.

Существует также преимущество солнечной энергии, являющейся модульной технологией. В случае повреждения одной солнечной панели остальная часть системы может продолжать работать. Это в отличие от чего-то вроде атомной электростанции, которая склонна к полному отказу, если одна система перестает работать.

Минусы

Есть также некоторые проблемы для солнечной технологии. Например, когда дом не потребляет всю энергию, которую он генерирует от солнечной энергии, эта энергия обычно подается обратно в сеть через «питающие» линии. Внедрение этих линий может быть дорогостоящим расходом для коммунальных компаний по мере расширения использования солнечной энергии в будущем.

Существует также проблема того, как солнечная энергия передается пользователям. В то время как солнечные панели в доме дают энергию там, где это необходимо, существуют также массивные солнечные фермы, которые должны передавать всю свою выработанную электроэнергию по линиям электропередач. Как и любой материал, по которому течет ток, в процессе передачи всегда происходит потеря энергии в виде тепла, которое невозможно восстановить.

Последняя серьезная проблема заключается в том, что солнечный свет не является постоянной величиной, которая может включаться и выключаться по нашему выбору. Когда облачно, выработка энергии от солнечных батарей резко падает. Из-за этого многие коммунальные предприятия используют солнечную энергию в сочетании с другими источниками энергии, чтобы сбалансировать ежедневные потребности.

Будущее солнечной технологии

Обойдите любой район в Соединенных Штатах, и вы обязательно увидите, как из года в год будет использоваться все больше солнечных батарей. Только за последние десять лет цена на солнечные технологии упала более чем на 60%, что делает эту некогда дорогую технологию доступной для домашних хозяйств и предприятий.

Но как насчет достижений в солнечной эффективности? Растет количество исследований и разработок, направленных на создание более эффективных солнечных технологий. Одним из них является перовскитный солнечный элемент . На своем нынешнем этапе перовскитный элемент оказывается дешевле, чем кремниевый, и в то же время эффективен. Этот материал изготовлен из кристаллической структуры оксида кальция и титана и может быть изготовлен при комнатной температуре гораздо более простыми методами, чем требуется для кремния.

Ячейки перовскита представляют новую рентабельную альтернативу кремниевым ячейкам. ( Источник изображения )

Этот материал полностью заменит кремниевые элементы? Скорее всего, не. Вместо этого компании ищут способы объединить перовскит и кремний в одной ячейке. Благодаря этому оба материала смогут захватывать фотоны на разных длинах волн, что повышает общую эффективность клетки.

Исследователи говорят, что у нас еще 5–10 лет, чтобы увидеть перовскит, готовый к прайм-тайму, но ранние эксперименты выглядят многообещающе с эффективностью 20%, что соответствует кремнию. Но сможет ли перовскит когда-либо свергнуть кремний с должности лидера отрасли? Это будет тяжелая битва, если это цель.

Может ли Солнце спасти мир?

Можем ли мы полагаться только на солнечную энергию для обеспечения мира устойчивым источником энергии? Существует множество переменных, которые нуждаются в улучшении, таких как повышение эффективности и постоянное развитие инфраструктуры. Мы думаем, что будущее может представить реальность, где солнечная энергия - это всего лишь маленький кусочек большой головоломки с устойчивой энергетикой.

Интересно узнать, как даже солнечные элементы полагаются на базовые основы электричества, чтобы их магия происходила. Все начинается с кремниевых полупроводников, которые взаимодействуют с фотонами солнечного света, генерируя полезный электрический ток. Оттуда мы можем использовать базовые принципы цепей, как и во всех наших электронных устройствах, для питания наших домов, предприятий и образа жизни.

Есть отличная идея для солнечной электроники проекта? Подпишитесь на Autodesk EAGLE сегодня !

Похожие

Комментарии