Солнечные фотоэлектрические системы являются одними из наиболее широко используемых в мире примеров возобновляемых источников энергии. Но для некоторых то, как они на самом деле работают, может быть чем-то загадочным — почти волшебным.
Как именно они работают и из чего состоит фотоэлектрическая система, на самом деле довольно интересно.
Итак, если вы когда-нибудь задумывались, что такое солнечная фотоэлектрическая система или как она работает, мы составили очень короткое руководство, которое поможет вам разобраться в основах.
Наслаждайтесь.
Как на самом деле работают солнечные фотоэлектрические панели?
Проще говоря, солнечные фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет в электричество с помощью процесса, известного как фотоэлектрический эффект. Тесно связанный с фотоэлектрическим эффектом, эффект PV был впервые продемонстрирован еще в конце 1830-х годов Эдмоном Беккерелем.
Беккерель заметил, что, когда пластины из платины или золота погружались в кислотные, нейтральные или щелочные растворы и подвергались воздействию солнечного излучения, то могли генерировать небольшой электрический ток. Чуть позже, в 1880-х годах, Чарльзу Фритцу удалось разработать первый настоящий солнечный элемент, сделанный из селена, покрытого тонким слоем золота.
Хотя эта панель и действительно работала, у нее была очень низкая эффективность.
Современные солнечные панели работают, когда фотоны солнечного света выбивают электроны из атомов , создавая поток электричества. Панели на самом деле состоят из небольших блоков, называемых фотоэлектрическими элементами. Эти солнечные элементы представляют собой сэндвич из полупроводников, изготовленных из кремния, «легированного» другими материалами.
В один слой обычно добавляют бор или индий, придавая ему положительный заряд. По сути, добавление атома бора к группе атомов кремния создает «дыру» — пространство, которое будет занимать электрон в чистом кремние. Это называется легированием p-типа или полупроводником p-типа (p означает положительный). Другой слой обычно легирован фосфором или мышьяком, который добавляет дополнительные электроны или отрицательный заряд к этому слою (это называется легированием n-типа или полупроводником n-типа).
Соединение двух слоев создает электрическое поле на стыке, называемом pn переходом. Под воздействием света внутри этого перехода создается электрическое поле, поскольку электроны поглощают энергию фотонов и вырываются из своего «родительского» атома.
Этот процесс оставляет после себя «дыру» в валентных связях материала, из которого вышел атом. Из-за существовавшего ранее электрического поля в pn переходе эти электроны и «дырки» движутся в противоположных направлениях — электрон на n-сторону, а «дырка» на p-сторону.
Это движение электрона создает в ячейке электрический ток. Металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на провода, позволяя электронам течь, как любой другой источник электричества.
Интересно, что большинство фотоэлементов, как правило, тем эффективнее, чем они меньше , поэтому каждая фотоэлектрическая панель обычно состоит из множества маленьких ячеек. Если вы внимательно посмотрите на солнечную панель, вы сможете увидеть все фотоэлементы меньшего размера, составляющие основную панель.
Массив фотоэлектрических панелей в Марке, Италия. Источник: CA ‘Marinello 1 / Flickr
Обычно сделанные из легированного кремния (хотя можно использовать германий, сульфид свинца и другие полупроводники), фотоэлементы являются источником энергии любой современной фотоэлектрической панели.
Подробнее об этом в следующем разделе.
Из каких материалов сделаны фотоэлектрические панели?
Фотоэлектрические панели, как и любая другая технология, представляют собой смесь различных материалов, из которых состоят разные части, от фотоэлемента до рамы и всего, что между ними. Однако большинство людей, задавая подобный вопрос, имеют в виду, какой ингредиент придает фотоэлектрической панели, казалось бы, волшебную способность создавать электричество из солнечного света.
Этот чудесный материал также является одним из самых распространенных веществ на Земле — кремнием.
Кремний — второй по распространенности материал на планете после кислорода, но в природе он редко встречается в свободном состоянии. Обычно он будет обнаружен в сочетании с другими элементами, чтобы сформировать один из множества минералов кремнезема, составляющих земную кору.
Он также обладает некоторыми интересными физическими и электрохимическими свойствами, которые делают его очень удобным для создания электроники.
Одним из них является полупроводник. Полупроводник, как следует из названия, — это любой материал, который имеет проводимость между изолятором (например, керамики) и проводника (например, металла).
Как металлоид (ни металл, ни неметалл), кремний разделяет некоторые свойства обоих — отсюда его роль как полупроводника.
Это означает, что, хотя он может проводить электричество, хотя и хуже, чем металлы, его способность делать это увеличивается с повышением температуры (в отличие от металлов).
По этой причине кремний используется для изготовления многих важных электрических компонентов, включая транзисторы, которые усиливают или переключают электрические токи и являются основой всех типов электроники, от радиоприемников до iPhone.
Что касается солнечных элементов, чистый кремний плохо проводит электричество. Чтобы преодолеть это, большинство солнечных элементов смешивают кремний с другими элементами, такими как галлий или мышьяк, для получения либо слоев с дефицитом электронов, либо слоев, богатых электронами, соответственно. Как мы видели, это важно для создания электронно-дырочных пар для генерации электрических полей.
Хотя кремний очень распространен, существуют некоторые ограничения на использование кремния в качестве основного материала для солнечных элементов. Главная из них заключается в том, что панели по своей природе хрупкие и жесткие. Это, помимо прочего, может усложнить транспортировку и установку.
Обычно солнечные элементы на основе кремния входят в несколько различных форм в большинстве имеющихся в продаже солнечных панелей. Это включает:
— Монокристаллические солнечные элементы — изготовленные из почти чистого кремния, это наиболее эффективная форма солнечных панелей, но, как правило, они самые дорогие. Эти панели обычно довольно темного цвета и, как правило, имеют самый долгий срок службы (часто более 25 лет).
— Поликристаллические солнечные элементы — также известные как поликремниевые или поликремниевые элементы, были первым коммерчески доступным типом. Они более доступны по цене, чем монокристаллические панели, но менее эффективны и обычно занимают больше места. Эти панели также имеют относительно низкую термостойкость по сравнению с монокристаллическими панелями.
— Аморфные солнечные элементы — эти панели, состоящие из неструктурированных кристаллов кремния, легче устанавливать и транспортировать, но имеют гораздо меньшую эффективность по сравнению с двумя другими формами. Панели такого типа используются в относительно дешевой электронике на солнечных батареях, например, в карманных калькуляторах и других тонкопленочных устройствах. Они относительно дешевы в производстве, но являются наименее эффективными. Их ограничения можно преодолеть, сложив несколько из них друг на друга, и они также имеют тенденцию быть менее хрупкими и жесткими, чем другие формы солнечных элементов.
Выбор типа обычно является компромиссом между стоимостью изготовления и установки и приемлемым пределом эффективности выработки электроэнергии.
Органические солнечные элементы могут стать будущим солнечных фотоэлектрических систем
Солнечные элементы на основе кремния составляют подавляющее большинство существующих фотоэлектрических панелей, но это не единственный вид существующих панелей. Есть и восходящая звезда — это то, что называется органическим солнечным элементом / панелью.
Органические солнечные элементы, или сокращенно OSC, являются захватывающим достижением в мире возобновляемых источников энергии. Эта технология, обычно изготовленная из специальных проводящих органических полимеров или небольших органических молекул, позволяет производить более легкие и гибкие солнечные панели.
Демонстрация гибкости органического солнечного элемента. Источник: CSIRO / Wikimedia Commons
OSC, хотя и относительно новые, также имеют более высокую эффективность на единицу площади по сравнению с более традиционными фотоэлектрическими панелями. Существующие OSC, как правило, очень сильно поглощают свет, и многие эксперты в этой области рекламируют их как будущее солнечных технологий.
Органические солнечные элементы / панели имеют другие неотъемлемые преимущества перед своими неорганическими аналогами. Прежде всего, это их легкий вес, гибкость, большая площадь покрытия и низкая стоимость производства.
Некоторые органические солнечные элементы производятся с использованием процесса, называемого рулонным производством. Этот процесс значительно дешевле, чем производство обычных неорганических солнечных элементов, и позволяет производить органические солнечные элементы с большой площадью.
Органический солнечный элемент, иногда называемый пластиковым солнечным элементом, представляет собой тип полимерного солнечного элемента, в котором используется органическая электроника. Это отрасль электроники, которая имеет дело с проводящими органическими полимерами или небольшими органическими молекулами для поглощения света и переноса заряда для производства электричества из солнечного света с помощью фотоэлектрического эффекта.
Это позволяет органическим фотоэлектрическим элементам преобразовывать солнечную энергию в электрическую более эффективно, чем другие типы солнечных элементов, включая кремниевые элементы, используемые в большинстве распространенных солнечных панелей.
Однако современные системы OSC имеют более короткий ожидаемый срок службы по сравнению с более традиционными панелями на основе кремния. Это связано с их меньшей стабильностью и прочностью.
Еще одна проблема с OSC — их относительные коэффициенты экстинкции материала (мера потерь света из-за рассеяния и поглощения на единицу объема). Материалы с более высокими коэффициентами поглощения легче поглощают фотоны, которые возбуждают электроны в зону проводимости. Коэффициент ослабления OSC пока что не так хорош, как у кремниевых солнечных панелей.
Однако важно отметить, что OSC все еще находятся в стадии разработки, и прорывы в новых материалах, методах обработки и архитектурах устройств, вероятно, исправят этот недостаток.
OSC также можно использовать для некоторых интересных приложений, которые были бы невозможны с неорганическими солнечными панелями. Например, их можно сделать прозрачными и специализированными для световых волн определенной длины.
Это может найти применение в таких конструкциях, как теплицы , где панели OSC могут формировать основное остекление конструкции. Такая установка может позволить длинам волн света, обычно используемых растениями, проникать через панели OSC, в то время как другие длины волн используются для выработки электричества.
Они также могут быть легко интегрированы в портативные электронные устройства, что означает, что потребители смогут заряжать свою электронику на ходу — даже при слабом освещении.
Каковы основные компоненты фотоэлектрической панели солнечных батарей?
Итак, самое главное.
Хотя солнечные фотоэлектрические установки могут различаться по форме и конструкции, типичная солнечная фотоэлектрическая система обычно имеет следующие ключевые компоненты.
1. Фотоэлементы — это буквально лицо фотоэлектрической установки.
Солнечные или фотоэлементы — основные рабочие лошадки любой солнечной фотоэлектрической системы. Это биты, которые наиболее заметно устанавливаются на крышах зданий или, в некоторых случаях, на стенах или даже на земле.
Работа фотоэлементов — преобразовывать солнечный свет в электричество. Они делают это, используя описанный выше процесс, то есть фотоэлектрический эффект.
Большинство солнечных фотоэлементов изготовлены из смеси кремния, алюминия (для каркаса) и полимерной основы. Солнечные фотоэлементы могут сильно различаться по размеру, цвету и форме, но все они имеют одну и ту же базовую конструкцию.
Размер солнечной панели обычно определяется максимальным диапазоном мощности , на который она рассчитана. Как правило, для бытовых применений она может находиться в диапазоне от 200 до 400 Вт на панель, хотя в большинстве случаев мощность составляет около 260 Вт.
Помимо основных компонентов солнечного элемента , солнечные элементы, как правило, помещаются между слоями герметика — металлическими опорными пластинами и передними слоями из закаленного стекла. Затем все эти слои обычно удерживаются вместе в алюминиевой раме.
2. Несомненно, монтажные стойки также являются очень важными компонентами.
Пример системы крепления массива фотоэлектрических панелей. Источник: Vinaykumar8687 / Wikimedia Commons
Наличие панелей — это здорово, но обычно вам понадобится что-то, на что их можно установить, как способ ориентировать панели. Здесь жизненно важны монтажные стойки.
Системы крепления на крыше являются наиболее распространенными, поскольку установка на крыше обычно считается более эстетичной и эффективной, чем установка на земле. Они также используют «потраченное впустую» пространство на существующих конструкциях, таких как дома, без необходимости использовать ценные земли или зеленые насаждения.
Однако кровельные системы обычно труднее обслуживать из-за их приподнятого и зачастую труднодоступного расположения. Другие способы монтажа, такие как установка на столб и, конечно же, установка на землю, также довольно распространены.
Последний вариант системы крепления является наиболее простым в установке и, в конечном счете, наиболее простым для длительного обслуживания и ремонта. Однако у них есть обратная сторона: занимают место на земле, которое можно было бы использовать для чего-то еще, например, другого здания, парковой зоны, сельскохозяйственных угодий и т. д.
Какое бы место установки ни было выбрано, большинство стеллажных систем имеют тенденцию быть фиксированными или отслеживаемыми. Первый, как следует из названия, «фиксирует» панели на заданной высоте и под заданным углом, и они, как таковые, не могут двигаться по направлению к Солнцу.
Солнечные панели, как правило, работают лучше всего, когда солнечный свет попадает на панель напрямую. Это все хорошо для фиксированного источника света, но если полагаться на Солнце (которое постоянно движется относительно панели), это может быть практически невозможно поддерживать в течение дня и года с помощью фиксированной системы.
По этой причине фиксированные системы часто устанавливаются под заданным углом, что является своего рода компромиссом для универсального использования. Обычно это около 37 градусов.
Системы слежения за установкой, с другой стороны, способны отслеживать движение Солнца в течение дня и года, постоянно меняя направление своей ориентации. Они также могут регулировать свой угол, чтобы поддерживать оптимальный угол падения в течение всего года.
3. Инвертор — это рабочая лошадка любой солнечной системы.
Солнечные панели хороши, но вырабатываемое ими электричество обычно бывает прямым (постоянным током). В то время как постоянный ток может использоваться для некоторых приложений, большинство солнечных панелей устанавливаются для обеспечения годной электроэнергии для дома или коммерческих помещений.
Это означает, что для преобразования постоянного тока в переменный (AC) требуется еще одна технология. Это работа инвертора .
Инвертор — это трудолюбивая деталь комплекта, которая почти непрерывно работает в течение всего срока службы типичной солнечной панели. По этой причине, если по какой-либо причине система солнечных батарей выходит из строя, главным виновником обычно является инвертор.
По этой причине на большинство инверторов, как правило, дается более короткая гарантия, чем на саму главную панель — о чем следует помнить, если вы планируете установить солнечную систему.
В системе солнечных батарей обычно используются два разных типа инверторов. Их называют струнными инверторами и микроинверторами.
Первые представляют собой более крупные устройства и обычно устанавливаются на стене, на крыше или в затененной области объекта. Как следует из названия, эти инверторы преобразуют «цепочку» электроэнергии, генерируемую фотоэлектрической антенной, а не каждой панелью.
С другой стороны, микроинверторы устанавливаются на каждой панели (обычно сзади). Это позволяет преобразовывать постоянный ток по отдельности перед подачей в здание или сеть.
Хотя у обоих типов есть свои плюсы и минусы, одним из основных преимуществ микроинверторов является тот факт, что когда некоторые панели затемняются в системе струнных инверторов, эффективность всех панелей напрямую снижается. Это не относится к микроинверторам, где затрагиваются только затемненные панели.
4. Счетчик электроэнергии измеряет, сколько же электроэнергии вырабатывают панели.
Независимо от того, есть ли в вашей солнечной фотоэлектрической системе аккумуляторная батарея или нет, она будет включать в себя какой-то счетчик коммунальных услуг для измерения потребления электроэнергии на каждый объект недвижимости. Счетчики, установленные на объектах с солнечными панелями, также будут регистрировать количество электроэнергии, вырабатываемой панелями, и, в некоторых случаях, позволяют экспортировать любую избыточную мощность обратно в сеть.
В зависимости от того, где вы живете и договоренности с поставщиком электроэнергии, вам обычно будут платить за любую избыточную энергию, которую вы экспортируете, что приятно.
5. Аккумуляторы становятся все более важной частью системы солнечных батарей.
Источник: Tesla
Одним из основных недостатков возобновляемых источников энергии, таких как солнечные фотоэлементы, является их ненадежность в неблагоприятных условиях окружающей среды. В случае солнечной энергии недостаток солнечного света (например, в ночное время), как правило, означает, что они фактически превращаются в очень дорогую черепицу и немногим больше в течение значительного периода времени.
Для борьбы с этим солнечные фотоэлектрические батареи все чаще комбинируются с той или иной формой аккумуляторной системы хранения . Такая установка означает, что электричество можно накапливать и использовать позже, не прибегая к использованию электричества из сети, когда солнце садится.
В случае Tesla Powerwall такие системы также предлагают резервную защиту для мест, которые также страдают от частых отключений электроэнергии.
Солнечные фотоэлектрические батареи, которые чаще называют системами хранения энергии, эффективно накапливают излишки электроэнергии от фотоэлектрических панелей для дальнейшего использования. Среди громких имен на сцене такие компании, как Samsung и Tesla, и многие энергетические компании также будут предлагать комбинированные пакеты солнечных батарей и солнечных батарей.
Батареи, как правило, бывают одной из нескольких форм, но наиболее распространенными являются перезаряжаемые литий-ионные. Это связано с их относительно небольшими размерами и отличной способностью накапливать электроэнергию.
Однако перед их установкой следует принять во внимание некоторые соображения . Например, если большая часть энергии, производимой фотоэлектрической антенной, фактически потребляется в течение дня или используется для нагрева воды, тогда использование батареи может оказаться нерентабельным.
6. Контроллер заряда также является очень важным компонентом любой солнечной фотоэлектрической системы.
Для фотоэлектрических систем, которые также объединяют систему хранения аккумуляторных батарей, контроллеры заряда являются еще одной важной частью системы. В первую очередь они предназначены для защиты аккумуляторных блоков от перезарядки, они постоянно регулируют зарядную емкость аккумулятора и соответствующим образом регулируют подачу на него питания.
Когда аккумулятор полностью заряжен, контроллер заряда автоматически отключает подачу питания от фотоэлектрических панелей, чтобы предотвратить необратимое повреждение аккумуляторов.
Контроллеры заряда, как правило, бывают одной из двух форм: широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT). Первый больше подходит для небольших бытовых фотоэлектрических массивов и имеет тенденцию варьироваться от 4 до 60 ампер.
Последний больше подходит для более крупных установок с более высоким напряжением — часто до 160 вольт постоянного тока.
Теперь, когда у вас есть базовое представление о том, что такое солнечная фотоэлектрическая система и каковы ее основные компоненты, вы можете исследовать возможность ее установки в собственном доме?
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК