Солнечные киловатты — как это работает?

Электроэнергия солнечных панелей уже широко используется для снабжения электроэнергией самой различной техники — от калькуляторов и мобильных телефонов до электромобилей и электросамолетов. А как устроены, как они работают и какими бывают и каковы свойства современных солнечных панелей, вы узнаете прочитав эту статью.

История создания

Исторически так сложилось, что солнечные панели – это не первая попытка обуздать безграничную энергию нашего Солнца человечеством и принудить ее работать на себя. Первыми попытками получить электроэнергию от солнца, были попытки получить ее при помощи солнечных коллекторов (СТЭ — солнечные термальные электростанции), в которых вода нагревается до парообразного состояния под действием солнечных лучей.

Солнечные панели вырабатывают электричество непосредственно, что более эффективно, ведь при прямой трансформации (один цикл) намного меньше энергии теряется, чем при многоступенчатой, как у солнечных коллекторов (нагрев и преобразование воды в пар, вращение турбин и получение электричества выработанного генератором).

Современные солнечные панели состоят из цепи чувствительных фотоэлементов – полупроводников, преобразующих энергию солнечного излучения в электрический ток напрямую. Преобразование лучистой энергии нашего солнца в электричество называется фотоэлектрическим эффектом.

Впервые это явление открыл и описал французский физик Александр Эдмон Беккерель (1820 — 1891) в середине 19 века. А первый действующий фотоэлемент создал русский ученый Александр Столетов, он же сформулировал и 1-й закон фотоэффекта — сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока. А уже в двадцатом веке в 1905 году фотоэлектрический эффект теоретически объяснил Альберт Эйнштейн. Согласно которому, электромагнитное излучение — это поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка.

Принцип работы

Полупроводник – это элемент, материал или сплав, в атомах которого либо есть свободные электроны (n-тип), либо их нет (p-тип). Соответственно, фотоэлемент состоит из двух различных слоев (p и n типов) с различной проводимостью. Для катода всегда используется n-слой, а для анода – p-слой.

Свободные электроны из n-слоя под действием энергии света могут покидать свои атомные оболочки, и переходить в p-слой. Именно энергия света и «выбивает» свободные электроны из оболчки атомов n-слоя, после чего они переходят на оболочки атомов p-слоя и занимают свободные места. Таким образом электроны мигрируют, выходя из n-слоя, а проходя через нагрузку, возвращаются в p-слой.

Первым в истории фотоэлектрический эффект обнаружили у селена. Именно на основе селена производили первые фотоэлементы с конца 19 и начала 20-х веков. Но, учитывая крайне низкий КПД (менее 1%), селену начали искать альтернативную замену.

Понятно, что мощности нескольких фотоэлементов недостаточно, чтобы запитать мощные энергоемкие электроприборы. Поэтому их стали объединять в единую замкнутую электроцепь, тем самым создавая солнечную батарею или солнечную панель.

На основании солнечной панели фотоэлементы устанавливаются таким образом, чтобы в случае сбоя в работе или неисправности можно было заменять их по одному. А для защиты от воздействия неблагоприятных внешних факторов (град, снег, дождь) всю конструкцию панели покрывают ударопрочной пластмассой или закаленным стеклом.

Разновидности солнечных панелей

Классифицируются солнечные панели по мощности производимого электрического тока, который зависит от полезной площади и конструкции фотоэлементов. Мощность солнечного излучения (инсоляция) на экваторе достигает максимума в 1 кВт, тогда как в наших районах в пасмурную погоду инсоляция может опускаться даже ниже 100 Вт.

Очень низкими КФП (коэффициент фотопреобразования) обладают многие аморфные, фотохимические и некоторые органические соединения. У первых двух видов он равен максимально до 10 процентов, то у органических фотоэлементов, еще меньше — всего до 5 процентов. Фактически это означает, что при инсоляции солнечного потока в 500 Вт солнечная батарея площадью в один кв.метр выработает максимально 50 и 25 Вт электроэнергии.

В отличие от вышеупомянутых типов, солнечные панели произведенные на основе полупроводниковых свойств кремния с коэффициентом фотоэлектрического преобразования до 20%, а при очень благоприятных условиях даже 25% для них считается нормальным. В результате, мощности современных солнечных панелей достигает 300 и более Вт.

Если же судить о площадях солнечных панелей, то существуют как очень миниатюрные «пластинки» мощностью несколько ватт, так и огромные «листы» на 300 Вт и более (стационарное использование).

На производительность солнечных панелей может отрицательно влиять много факторов. Например, с повышением температуры у панели понижается КФП. Учитывая, что солнечные панели предназначены для установки под действие прямых солнечных лучей получается какой то своеобразный «замкнутый круг» или палка о двух концах.

Еще один «нехороший» фактор, который отрицательно влияет на производительность солнечных панелей — это тень. Например, если затенить часть солнечной батареи, то фотоэлементы на затененных участках не только прекращают работать и производить электричество, но и стают дополнительной нагрузкой.

Крупнейшие мировые производители

Лидерами мирового производства солнечных панелей считаются компании Suntech, Trina Solar, Yingli, First Solar и Sharp Solar. Первые три компании Китайские, четвертая – США, а пятая, является известной японской корпорацией Sharp.

Самую крупную украинскую солнечную электростанцию «Перово» строила и снабдила солнечными батареямии звестная австрийская компания Activ Solar.

Китайская компания Suntech знаменита еще и тем, что подготовила к летней Олимпиаде-2008 в Пекине, футбольный стадион «Птичье гнездо», в котором вырабатываемая солнечными батареями на протяжении суток электроэнергия, аккумулируется, а потом используется для освещения, работы телекоммуникационного оборудования и пр.

Будущее солнечной энергетики видится таким же светлым, как и само солнце. Хочется надеяться, что именно благодаря солнечной энергетике получится хоть немного вылечить нашу планету, ведь более экологически чистого и абсолютно безвредного источника энергии, человечество еще не изобрело!