Як працює сонячна батарея?

Сьогодні у всіх на слуху поняття альтернативної енергетики. Вже ні для кого не секрет, що запаси нафти, газу та інших видів палива на Землі не безмежні, тому вчені та інженери продовжують шукати можливості ефективного застосування відновлюваних ресурсів для отримання такого необхідного всім електрики. В останні роки сонячні елементи перестали бути екзотикою і використовується лише в космічних апаратах, вони отримали широке поширення для електропостачання будинків, автомобілів, автономного живлення дрібної побутової техніки та електроніки. Оскільки Сонце - величезне джерело енергії, який доступний кожному, корисно знати, як перетворити світло в електрику або як працює сонячна батарея.

• Принцип роботи сонячної батареї
• Перетворення енергії, отриманої за допомогою сонячних батарей

Принцип роботи сонячної батареї

Це пристрій, зване також сонячною панеллю, складається із сукупності з'єднаних певним способом фотоелектричних перетворювачів, до складу яких входять два шари напівпровідників з різними типами провідності - p і n. В якості речовини, що володіє такими властивостями, найчастіше використовується кремній з певними домішками. При додаванні до нього фосфору в отриманій структурі виникає надлишок електронів (негативних зарядів) і утворюється напівпровідник n-типу, а при підмішуванні бору - p-типу, що характеризується нестачею електронів або наявністю дірок. Якщо розмістити ці шари між двома електродами так, як показано на картинці, і забезпечити до верхнього доступ світла, вийде фотоелектричний перетворювач.

При висвітленні елемента їм поглинається частина падаючої енергії, в результаті чого відбувається додаткова генерація дірок і електронів. Електричним полем, існуючим в pn переході, перші переміщуються в p-область, а другі - в n-область. При цьому на нижньому електроді скупчуються позитивні заряди, на верхньому - негативні, тобто виникає різниця потенціалів - постійна напруга U. Таким чином, фотоелектричний перетворювач працює як джерело електрорушійної сили (ЕРС) - невелика батарейка. Якщо до неї під'єднати навантаження, в ланцюзі виникне струм I, значення якого буде залежати від виду фотоелемента, його розмірів, інтенсивності сонячного випромінювання і опору підключених споживачів. ЕРС батареї знижується з підвищенням температури приблизно на 0,4% / ° С. Тому для ефективної та довготривалої роботи панель необхідно охолоджувати за допомогою вентиляторів або водяних систем.

Найважливішим параметром сонячного джерела енергії є потужність P = UI. Природно, що струм і напруга, одержувані в результаті роботи одного фотоелемента, невеликі, тому в батареї вони комбінуються певним чином для збільшення зазначених показників. Якщо з'єднати перетворювачі послідовно, то загальна вихідна напруга буде пропорційно до їх кількості. Паралельне підключення окремих елементів призводить до збільшення струму. Поєднуючи певним чином обидва типи з'єднань так, як показано на картинці, отримують необхідні вихідні параметри батареї, а отже, і її потужність.

При висвітленні батареї не вся енергія сонячного випромінювання перетвориться в електрику - частина її відбивається, а також витрачається на нагрів елементів. Більшість що випускаються промисловістю фотоелектричних панелей мають ефективність 9-24%. Також важливо знати, як працює сонячна батарея в умовах, коли деякі з елементів затемнені. В даному випадку перетворювачі, на які не потрапляє сонячне світло, перетворюватимуться на споживачів енергії і нагріватися. Тому групи фотоелементів шунтуються низькоомними діодами, що перешкоджають проходженню струму через затемнені компоненти батареї. Панель при цьому буде функціонувати з меншою потужністю.

Перетворення енергії, отриманої за допомогою сонячних батарей

Фотоелектричні елементи виробляють постійна напруга, але багато видів апаратури харчуються змінним, що вимагає наявності відповідних перетворювачів. Крім того, сонячні батареї виробляють електрику вдень, а його споживання відбувається цілодобово, отже, необхідні додаткові компоненти, які будуть запасати і розподіляти енергію. Розглянемо приклад системи електропостачання будівлі з використанням сонячних джерел - невеликий геліоелектростанції, структура якої представлена на картинці.

Ця схема може функціонувати в будівлях, де присутня електромережу, а сонячна батарея використовується для економії споживання енергії з неї, а також в якості резервного джерела при відключенні основного. Загальний принцип роботи системи такий: постійна напруга, що виробляється фотоелектричними перетворювачами, надходить на інвертор, що перетворює його в змінну, і на акумулятори, які, заряджаючись під управлінням спеціального контролера, накопичують енергію.

У даному випадку прилади в будинку підрозділяються на резервуються - ті, для яких відключення електрики може призвести до небажаних наслідків (холодильник, системи відеоспостереження, сигналізації), і нерезервовані - всі інші. При відключенні мережі інвертор живить резервуються пристрої від сонячної батареї, а якщо енергії від неї недостатньо, то від акумуляторів. Коли мережа підключена, електрику, що виробляється панеллю, в першу чергу надходить на їх зарядку. А коли в цьому вже немає необхідності, інвертор перетворює постійну напругу в змінну, від якого живиться навантаження. Тим самим економиться споживання з основного джерела.

Сонячні батареї можуть використовуватися без розглянутої додаткової апаратури для харчування або зарядки портативної електронної техніки, що працює від постійної напруги, наприклад, калькуляторів, плеєрів, ліхтариків, мобільних пристроїв.

Крім електрики, з енергії світла можна безпосередньо отримувати тепло. Для цього застосовуються сонячні колектори. Враховуючи, що сьогодні простежуються тенденції зниження вартості фотоелектричних перетворювачів та підвищення їх ефективності, в цілому геліоенергетика - перспективний напрямок, що дозволяє безшумним і екологічно чистим способом отримувати безкоштовне електрику, а також тепло для опалення та гарячого водопостачання.