Так называемые солнечные батареи — это устройства, предназначенные для того, чтобы генерировать электроэнергию из солнечных лучей. По сути, это электрогенераторы, которые работают, если светит солнце, а значит, их источник энергии практически неиссякаем. Каков же принцип работы солнечной батареи?
Солнечная батарея: устройство и принцип работы
Солнечные лучи, попав на поверхность батареи, преобразовываются в электрический ток благодаря такому явлению, как фотоэффект. Суть фотоэффекта состоит в том, что солнечная энергия преобразовывается в постоянный электроток. шкафы купе по индивидуальным размерам москва Происходит это так. Электроны некоторых веществ обладают свойством поглощения энергии солнечных лучей. Поглощая энергию солнца, электроны покидают свои орбиты и образовывают направленный поток, который и является постоянным фототоком.
Для того чтобы достичь такого эффекта, применяются специальные полупроводники. Различают полупроводники двух типов: с p- и n-проводимостью. Если в веществе избыточное количество электронов, то говорят о N-проводимости, если электронов недостаточно, то вещество характеризуется p-проводимостью. Фотоэлемент включает два разнопроводимых полупроводника. Их помещают один на другой — таким образом, получается двухслойная структура, своего рода аналог электродной батареи. При этом n-проводник выполняет роль катода, а p-проводник — анода.
Принцип работы полученного фотоэлемента основывается на формировании зоны p-n перехода в том месте, где стыкуются полупроводники. Электроны n-проводника (расположенного сверху) под воздействием солнечных лучей покидают атомарные орбиты и переходят в p-слой, где электронов недостаточно. Вследствие этого формируется направленный поток электронов, называемый еще фототоком.
Для того чтобы этот ток использовать в промышленности или в быту, к пластинам полупроводников необходимо подключить тонкие проводники и нагрузку. Продолжительность работы данной системы одна из самых больших, поскольку ее функционирование не зависит от химического взаимодействия, а значит, материалы не подвержены процессам, которые разрушают их с течением времени.
Сегодня, говоря о солнечных батареях, видах и принципах работы, следует отметить, что все серийные элементы для этих устройств выпускаются на основе кремния. Это обусловлено тем, что кремний широко распространен, а для его промышленной обработки не нужны большие затраты. Чтобы получить разные типы проводимости, используются соответствующие примеси. Так, для создания избытка электронов вводится бор, недостатка — мышьяк. Помимо этого, применяются галлий, арсенид, кадмий. Добавка примесей позволяет не только формировать определенную проводимость, но и значительно повышать эффективность кремниевых батарей, чей КПД составляет порядка 20%.
На сегодняшний день имеются солнечные батареи с более высоким КПД, но их производство пока очень ограничено. Их изготавливают небольшими партиями в лабораторных условиях для особых целей — к примеру, для применения в космической отрасли. Это связано с тем, что в таких батареях используются другой исходный материал и особые примеси. Поскольку такие материалы сложно поддаются обработке, производит их в больших объемах пока нецелесообразно. Но следует отметить, что активные разработки высокоэффективных и экономически выгодных солнечных батарей продолжаются.
Невзирая на относительно низкий КПД, солнечные батареи считаются на сегодняшний день наиболее эффективным источником электроэнергии из всех известных альтернативных и автономных источников питания. Но они позиционируются только как дополнительный источник питания, по причине высокой стоимости, зависимости от погодных условий и небольшим количеством энергии, получаемой с единицы площади. Принцип работы солнечных батарей для дома таков, что в погожий солнечный день с 1 кв. м батареи можно снять не более 120 Вт. Этого не хватит даже для того, чтобы обеспечить работу компьютера. Поэтому для того, чтобы получить большую мощность, солнечные панели объединяются в мини-электростанции. С батареи площадью 10 кв. м можно получить более 1 кВт энергии. В целом для дома, где проживают несколько человек, 20 кв. м площади в светлое время дня достаточно, чтобы получить 200-300 кВт в месяц.