Устройство солнечных батарей
Солнечные или фотоэлектрические батареи представляют собой устройства, которые непосредственно преобразуют падающую на них энергию солнечного света в постоянный электрический ток. Это становится возможным благодаря уникальным физическим свойствам полупроводниковых материалов, из которых изготавливаются фотоэлектрические преобразователи - солнечные элементы. Давайте подробно разберем конструкцию и принцип работы современных солнечных батарей, чтобы понять, как в них происходит непосредственное преобразование солнечного излучения в полезную электроэнергию.
Основным компонентом любой солнечной батареи являются фотоэлектрические модули – плоские панели, объединяющие большое количество индивидуальных фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов). Каждый отдельный фотоэлемент можно рассматривать как миниатюрную солнечную батарейку, вырабатывающую электрический ток под действием света.
В качестве основы для создания фотоэлементов чаще всего применяется полупроводниковый кремний с определенными примесями, формирующими р-n переход. Реже используются полупроводники на основе галлия, селена, теллура и некоторых других элементов.
Когда солнечный свет попадает на поверхность полупроводника, фотоны света передают свою энергию электронам в кремнии, выбивая их из атомных орбиталей в зону электрической проводимости. Электроны начинают свободно двигаться по решетке полупроводника, и между двумя слоями кремния противоположного легирования возникает внутреннее электрическое поле, генерирующее постоянный фототок. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом.
Для получения нужной мощности фотоэлементы соединяются в солнечные модули площадью от 0,5 до 2 кв. метров. В модуле элементы контактируют между собой последовательно или параллельно для получения требуемых напряжения и силы тока. Несколько модулей уже составляют полноценную солнечную батарею.
Современные солнечные панели имеют коэффициент полезного действия (КПД) по преобразованию солнечной энергии в электричество на уровне 20-25%.
Для защиты от атмосферных воздействий солнечные модули инкапсулируются в герметичные корпуса из анодированного алюминия или оцинкованной стали. Сверху устанавливается защитное антибликовое стекло. Благодаря такой конструкции хорошие солнечные панели могут проработать до 25-30 лет.
Основные разновидности солнечных фотоэлементов:
- Монокристаллические - из монокристаллов кремния, КПД до 24%.
- Поликристаллические - из зернистого поликристаллического кремния, КПД до 22%.
- Тонкоплёночные - с тонким слоем фото-активного вещества на подложке, КПД до 13%.
- Гибкие (органические) - на гибкой полимерной подложке, КПД 5-7%.
Благодаря своей технологичности, бесшумности, безопасности и экологичности, солнечные панели становятся всё более востребованным способом получения возобновляемой электроэнергии в мире. Их активное распространение способствует снижению использования загрязняющих окружающую среду органических видов топлива на традиционных электростанциях. А прямое преобразование солнечного света в электричество делает солнечную энергетику по-настоящему экологичным и перспективным направлением.