Устройство солнечной батареи. Виды солнечных панелей
Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.
Солнечные батареи основе кремния
Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний.
В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе.
Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.
Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического.
В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%.
Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).
Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен.
Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%.
Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.
Тонкопленочные солнечные панели
Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.
Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков.
Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн.
Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.
В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон.
Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника.
Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).
Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.
Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.
К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий.
В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре.
Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.
Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики.
Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии.
Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.
Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.
Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:
— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;
— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).
По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм.
По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%.
Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.
Концентраторные солнечные модули
Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев: Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP.
Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника.
К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.
Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат.
Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.
В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.
Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем
Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.
Трушин М.В. Ph.D
Источник: http://www.helios-house.ru/ustrojstvo-sb.html
Как работает солнечная батарея — бесплатное электричество для вашего дома
Когда деньги, вложенные в батареи, окупятся, электричество в доме будет действительно бесплатным
Заинтересованы в бесплатной электроэнергии на дачном участке или в загородном доме? Я расскажу про принцип действия и про устройство солнечной батареи, а вы сможете решить, подходит ли такое устройство для того, чтобы сделать дом или дачу энергонезависимыми.
Что такое солнечные батареи и как они работают
Солнечная батарея (СБ) — это устройство, позволяющее преобразовать световую энергию солнечных лучей в электрический ток. В основе приборов применяются фотоэлементы — полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи.
Пример того, как небольшой поселок можно сделать энергонезависимым
Современные модификации солнечных батарей различаются такими параметрами, как производимая мощность и габариты. Поэтому эти устройства с одинаковым успехом применяются в самых разных конструкциях, начиная с портативных калькуляторов и оканчивая солнечными электростанциями.
На схеме показано, из чего состоит наиболее распространённая батарея солнечного света
При сборке фотоэлемента на пластину монокристаллического кремния с шириной запрещенной зоны 5 эВ наносится слой фосфора и бора. В слое кремния с добавками фосфора (катод) возникают свободные электроны. В слое кремния с бором (анод) образуются отсутствующие электроны, так называемые «дырки».
На схеме показан принцип работы кремниевого фотоэлемента, начиная с воздействия света на поверхность и оканчивая отведением тока
Когда на поверхность фотоэлемента попадает квант света, происходит движение частиц из одного слоя в другой. За счет движения частиц, высвобождается определенное количество энергии, то есть создается разность потенциалов, которую определяет интенсивность света.
Медные дорожки нескольких пластин параллельно спаиваются друг с другом
Для того чтобы высвобожденную энергию вывести с каждой отдельно взятой пластины, на поверхность фотоэлектрических преобразователей нанесены металлизированные дорожки.
Мощность собранной батареи определяется ее площадью. То есть, чем больше отдельных пластин будет закреплено на панели, тем больше электричества будет выработано.
Разновидности преобразующих панелей и их устройство
| Иллюстрации | Классификация по типу солнечных элементов |
| Панели с кремниевыми фотоэлементами. СБ с кремниевыми фотоэлементами это самый распространенный тип панелей (около 85% от всего объёма производимых солнечных батарей).С развитием технологий, цена таких производственных процессов, как выращивание кремния и нанесение легирующего покрытия снижается. Более того, кремний — это самый распространенный элемент в составе земной коры.Именно поэтому будущее солнечной энергетики в ближайшие 50 лет будут определять кремниевые СБ.Недостаток кремниевых СБ — это низкий коэффициент светопоглощения из-за того, что кремний не прямозонный полупроводник. В итоге фотоэлементы производятся с увеличенной толщиной, что негативно сказывается на весе устройства. | |
| Тонкопленочные панели. Такие СБ характеризуются более высоким коэффициентом светопреобразования, в сравнении с кремниевыми аналогами.Применение прямозонных полупроводников в качестве фотоэлементов, позволяет вырабатывать оптимальное количество энергии при толщине СБ в пару микрон. Панели с такими фотоэлементами немного весят и могут устанавливаться своими руками на крыши жилых домов, на крыши автомобилей и т.п.Существенное преимущество тонкопленочных СБ — способность эффективно работать даже в облачный день. | |
| Концентраторные модули. Это самые дорогие, но и самые эффективные СБ (эффективность светопреобразования около 44%).В конструкции этих фотоэлементов применены полупроводники нескольких типов, расположенные слоями в определённом порядке. Например, распространённый вариант: Ge — полупроводник подложка, GaAs — средний слой и GaInP — верхний слой.За счет особого расположения полупроводников обеспечивается эффективное усвоение солнечной энергии, как в ясную, так и в облачную погоду. Сборка СБ на основе концентраторных модулей технически сложна, а потому цена устройств высокая. | |
| Органические батареи. Эти панели пока что отсутствуют в продаже. Фотоэлементы в составе панелей работают по принципу фотосинтеза растений. Для этого поверхность фотоэлементов покрыта слоем светочувствительной краски.На фото — модель дерева с листьями из органических батарей. |
| Иллюстрации | Классификация кремниевых фотоэлементов в соответствии с типом кристалла. |
| Фотоэлектрические преобразователи из монокристаллического кремния (КПД 15-20%). Основа фотоэлемента — чистый кремниевый монокристалл, выращенный из кремниевого расплава.Готовые монокристаллы имеют форму стержня, которому придается форма куба. Куб нарезается на пластины с толщиной 180 Мк.Нарезанные пластины очищаются и армируются защитным покрытием. Поверхность подвергается металлизации, после чего на нее наносится антирефлексионное покрытие. | |
| Фотоэлектрические преобразователи из поликристаллического кремния (КПД 10-15%). Поликристаллический кремний выращивается из остывшего кремниевого расплава.Из-за низкой температуры расплава процесс формирования стержней протекает медленно. Тем не менее, инструкция их производства проще формирования монокристаллов. | |
| Фотоэлектрические преобразователи из аморфного кремния (КПД 8-10%). Производство аморфного кремния выполняется по технологии испарительной фазы, а именно, кремниевая пленка крепится на несущем материале и армируется защитным покрытием.Преимущества технологии — малая себестоимость и возможность изготавливать панели большой площади.Недостаток фотоэлементов из аморфного кремния — малый эксплуатационный ресурс из-за ускоренной деградации. |
Эффективное расположение
Чтобы эксплуатация батарей была наиболее эффективной, устройство должно вырабатывать электричество наибольшее количество времени в течение светового дня. Добиться максимальной эффективности использования можно за счет правильного расположения плоскости относительно траектории прохождения солнца.
| Иллюстрации | Популярные способы расположения |
| Статичное расположение. Солнечная панель располагается с небольшим наклоном в восточном направлении. В итоге солнечный свет будет попадать на фотоэлементы большую часть дня. | |
| Изменяемое расположение. Увеличение эффективности энергопреобразования возможно за счет установки панели фотоэлементов на подвижной конструкции.Благодаря такому решению плоскость, в зависимости от положения солнца, будет менять угол наклона. Впрочем, такое решение применяется нечасто, так как из-за монтажа и эксплуатации электропривода увеличивается цена системы в целом. |
Интеграция солнечных батарей в электрическую сеть
Солнечная батарея (СБ) вырабатывает электрический ток, но для того чтобы постоянное напряжение применить в быту, его нужно трансформировать в переменный ток и пустить в сеть или аккумулировать для последующего применения.
На фото показан автомобильный инвертор, преобразующий постоянный ток (12 В) в переменный ток с параметрами бытовой электросети (50 Гц, 220 В)
Для трансформирования постоянного напряжения в переменное, применяется специальное оборудование — инвертор. На вход устройства подаётся постоянное напряжение, а на выходе получается переменный ток с требуемой частотной характеристикой и необходимой мощностью.
Аккумуляторы для бытовой солнечной электростанции — для удобства монтажа по бокам предусмотрены кронштейны для стойки
Для накопления электроэнергии применяются свинцово-кислотные аккумуляторы. Обратите внимание на то, что солнечные панели комплектуются специальными аккумуляторами, которые по рабочим параметрам и по конструкции отличаются от обычных автомобильных аккумуляторов.
Подведем итоги
Теперь вы знаете, как работают солнечные батареи и как они устроены. Интересующие подробности можно найти, посмотрев видео в этой статье. Если остались вопросы, их можно задать в комментариях.
Источник: https://otoplenie-gid.ru/istochnik-nagreva/solnechnoe/817-kak-rabotaet-solnechnaya-batareya
Солнечные батареи: как это работает
Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.
История создания
Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.
Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья
Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).
Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.
Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.
Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей
Принцип работы
Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.
Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.
Схема работы фотоэлемента
Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.
Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.
Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов
Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).
На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.
Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей
Существующие разновидности
Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.
Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата
Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.
Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома
В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.
Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.
Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).
Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860
Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).
Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного
На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.
Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной
А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.
«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф
Крупнейшие производители
Источник: https://itc.ua/articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/
