Кому не понравится идея иметь собственную энергию и не быть надежной в национальной системе? Просто подумайте о том, чтобы не платить за электричество каждый месяц, и вы обязательно поймете эту идею. В мире передовых технологий разработано устройство, которое делает все это возможным: солнечная панель! Энергетическая независимость и защита окружающей среды от загрязнения — не просто далекая мечта в современной реальности. Мы можем производить наше собственное электричество простым и эффективным способом, используя самые современные солнечные батареи.
Возможность понять принципы работы этих устройств может однажды стать одним из самых ценных навыков, которые у вас есть. Представьте себе глобальное стихийное бедствие, которое опустошает мир и меняет все. Там нет промышленности, нет топлива, мировая экономика находится в полном хаосе, и выживших осталось немного.
После первоначального воздействия вы захотите восстановить мир, но без энергии все может быть экспоненциально сложнее. Если вы знаете, как построить солнечную панель и как хранить и использовать полученную энергию, вы можете иметь электричество и использовать эту технологию в свою пользу.
Сегодня мы собираемся обратить ваше внимание на механизмы, которые работают в указанном устройстве. Мы собираемся разрезать солнечную панель и выяснить, что заставляет ее работать. Но сначала давайте посмотрим, каково истинное определение этого невероятного устройства.
Солнечные батареи: определение и основы.
Научное название этих устройств фотоэлектрические И в основном это означает свет для электричества. На самом деле, это самое простое определение, которое может предложить каждый: солнечные панели — это устройства, которые преобразуют свет в электричество. В общем, их называют солнечными, потому что нашим основным и самым мощным источником света является Солнце, но это не единственный источник света, на который могут реагировать эти панели.
Основной принцип прост: эти солнечные модули используют энергию света Солнца (или фотонов) для создания энергии посредством фотоэлектрического эффекта, который является явлением, которое включает физические и химические реакции.
Чтобы продемонстрировать, насколько эффективны и продвинуты современные солнечные технологии, вы должны знать, что НАСА использует фотоэлектрическую энергию в своем космическом корабле, чтобы гарантировать, что они всегда будут иметь необходимую мощность для развертывания миссий, для которых они отправляются в космос. Единственная проблема с этими устройствами состоит в том, что они всегда должны быть направлены к Солнцу, чтобы получить максимально возможный свет.
Это одно из абсолютных требований солнечной панели: воздействие света. Если устройство не получает прямой свет, его эффективность ниже, поэтому, когда речь идет о домашних системах, позиционирование чрезвычайно важно. Кроме того, когда речь идет о домах, солнечные устройства делятся на три основные категории:
- солнечные панели горячей воды — эти системы используют солнечную энергию для нагрева воды, необходимой в доме;
- тепловые солнечные коллекторы — Это устройство используется для захвата солнечного излучения инфракрасных или ультрафиолетовых волн, которое преобразуется в электричество;
- фотоэлектрические — Эти панели, которые электрически соединены и установлены на опорной конструкции.
Теперь, когда мы знаем, что такое фотоэлектрическое устройство, пришло время посмотреть, как оно на самом деле работает.
Наука за солнечными устройствами.
Наука довольно проста: когда легкие частицы или фотоны попадают в солнечный элемент, они отделяют электроны от своих атомов, создавая тем самым поток электричества. И теперь мы ввели новый элемент в дискуссии: солнечный элемент или фотоэлектрический элемент. Это небольшие агрегаты, которые собираются по особой договоренности, составляют солнечные панели. Итак, в заключение, солнечная панель — это собранный или организованный солнечный элемент.
Поскольку мы только что обнаружили, что все солнечные устройства основаны на небольших единицах, мы считаем правильным начинать сначала с мелких частиц, а затем переходить к науке всего устройства. Поэтому мы будем обсуждать солнечный элемент ниже.
Как работают солнечные элементы: основы и структура
Короче говоря, солнечный элемент состоит из двух кусков полупроводникового материала, расположенных один над другим, как в бутерброде. Наиболее часто используемым полупроводниковым материалом в этой области является кремний, поскольку он обладает электрическими и металлическими изоляционными свойствами. Кремний в сочетании с другими материалами создает необходимые заряды для создания электрического тока. Это в основном причина того, почему солнечный элемент является сэндвичем, потому что он должен создавать электрическое поле.
Для этого каждый элемент ячейки должен иметь отдельные противоположные заряды, поэтому кремний смешивается с другими материалами. Производители используют фосфор для верхних слоев, чтобы добавить дополнительные электроны и создать отрицательный заряд (тип n), и бор для нижнего слоя, чтобы уменьшить количество электронов и создать положительный заряд (тип p). При размещении на бутерброде два куска кремния, заряженные по-разному, создают соединение, через которое могут перемещаться электроны.
Все это создает электрическое поле между слоями кремния, и когда фотон попадает в одну из этих ячеек, небольшая часть его энергии попадает в ячейку, высвобождая электроны, в то время как электрическое поле проталкивает его через соединение к пластинам из проводящего металла. Размещены на стороне солнечных батарей. Все эти электроны собираются и отправляются через кабели для питания своих устройств.
Лучшая аналогия всего этого объяснения — игра в пул: белый шар — это фотон, а все остальные шары — это атомы, ожидающие удара. Когда белый шар ударяется о другой шар, электроны приводятся в движение и переносятся по проводам (трубкам под столом), пока не достигнут своей цели.
Как видите, теоретический процесс прост и регулируется простыми законами, но в действительности все немного сложнее.
Особые свойства кремния используются для солнечных элементов.
Вы можете задаться вопросом, что делает кремний таким особенным материалом, который нравится использовать большинству производителей. Что ж, мы здесь, чтобы подробно объяснить все, так что читайте дальше, если вы хотите узнать больше о солнечных элементах и материалах, из которых они сделаны.
В кристаллическом виде кремний обладает некоторыми особыми свойствами, которые обусловлены его особой структурой из 14 электронов. Эти электроны расположены в три слоя, два из которых завершены. Это потому, что его внешний слой неполон, атом кремния всегда будет пытаться соединиться с 4 ближайшими атомами. Это свойство, которое действительно формирует кристаллическую форму, которая так важна для фотоэлектрических устройств.
Поскольку кремний в чистом кристаллическом виде не является хорошим электрическим проводником, производители добавляют в смесь другие материалы (как описано выше). Мы уже указали, что фосфор является одним из других агрегированных элементов, и здесь мы объясняем, почему: фосфор имеет 5 электронов во внешнем слое и, поскольку он все еще соединяется с 4 соседними атомами кремния, остается еще один. Это означает добавление отрицательного заряда к кремнию, который используется для солнечных элементов: наличие дополнительных электронов для игры.
Когда энергия (например, свет или тепло) добавляется к материалу, некоторые электроны будут освобождаться, потому что нет сильной связи, чтобы удерживать их на месте. Когда они покидают свои места, в конструкции остается дыра, и они расспрашивают, ища новую дыру. Это то, что действительно формирует электрический ток.
Бор является еще одним элементом, добавляемым в смесь, и он имеет только 3 электрона, что оставляет дыры в структуре. Это помогает заряжать кремний положительно. Процесс связывания чистого кристаллического кремния с другими элементами называется легированием и используется для создания намного лучших проводников.
Изучение анатомии солнечного элемента.
Мы уже указали, что два куска кремния должны быть соединены и организованы в структуру типа сэндвича, чтобы можно было сформировать электрическое поле. Посмотрим, что это значит и зачем нам это нужно.
Когда два куска кремния (типа n и типа p) вступают в контакт, все свободные электроны на стороне n-типа захотят войти в свободные отверстия в части p-типа. Я мог бы подумать, что невозможно сформировать электрическое поле, если электроны с одной стороны переносятся в дыру с другой, и это было бы правильно. Тем не менее, на стыке между двумя кусками кремния образуется барьер, и электронам трудно перемещаться на другую сторону.
Когда достигается равновесие, между двумя кусками кремния солнечного элемента возникает электрическое поле. Это поле также имеет адрес: от стороны P к стороне N и никогда не переворачивается. Это позволяет свободным электронам на стороне P перемещаться на стороне N, что означает, что у нас будут электроны на одной стороне и дырки на другой.
Фотон с достаточной энергией должен прервать ровно один электрон, а это означает еще одну дыру в стороне P. Это приводит к созданию пути, и мы можем использовать его, добавляя внешние элементы в ячейку, чтобы направить этот поток электронов в сторону P, где они присоединятся со своими отверстиями. Это на самом деле то, что обеспечивает электрический ток, а поле вызывает напряжение. Это то, что нам нужно для питания наших устройств: ток и напряжение.
Другие необходимые элементы для солнечного элемента.
Пока что мы обсуждаем только самые важные части солнечного элемента: компоненты на основе кремния и их действия. Тем не менее, чтобы получить энергию от фотоэлектрического элемента и убедиться, что он работает на максимальной мощности, нам потребуется еще несколько элементов:
- Металлические пластины — они прикреплены к стороне каждой ячейки, чтобы создать маршрут потока;
- Антибликовое покрытие — Кремний иногда настолько яркий, что заставляет фотоны подпрыгивать вправо, не имея возможности выпустить электрон. Это означает меньшую эффективность для ячейки, поэтому покрытие наносится.
Это основные вещи, которые нужно знать о солнечных элементах. С информацией, включенной здесь, вы можете производить свои собственные солнечные элементы в случае, если ситуация требует этого. Это также забавный проект «сделай сам», который может помочь вам сократить счета за электроэнергию.
Как работают солнечные батареи: эффективность и процесс?
Солнечные панели или фотоэлектрические модули представляют собой не более чем серию отдельных солнечных элементов, соединенных вместе для достижения определенного уровня тока и напряжения. Поскольку одна ячейка не может производить достаточно энергии для питания требовательного потребителя, фотоэлектрические модули являются идеальным решением.
Для эффективного производства энергии солнечные элементы должны быть защищены от элементов, а поскольку фотоэлектрические модули устанавливаются на улице, необходимо добавить защитную стеклянную крышку. Итак, подведем итог: солнечная панель — это собрание солнечных элементов, организованных и соединенных друг с другом и помещенных в прочную раму, покрытую стеклянной пластиной. Довольно просто, правда?
Эффективность фотоэлектрических модулей
Теперь, когда мы узнали о том, что заставляет их работать, давайте посмотрим, как эти фотоэлектрические модули могут помочь нам сэкономить деньги, которые мы платим за электричество. Разве не было бы весело иметь возможность потреблять все, что вам нужно, не думая о том, сколько вам придется заплатить?
Первое, что мы собираемся обсудить, это эффективность, то есть фактическое количество солнечной энергии, поглощаемой ее панелями. Вы будете удивлены, узнав, что эффективность не 100%, на самом деле это даже не близко. Например, в 2012 году эффективность фотоэлектрических модулей, предназначенных для бытового использования, составляла от 12% до 18%. Однако с тех пор цифры изменились, и благодаря инновационным материалам эффективность в 2015 году превысила 50% для коммерческих фотоэлектрических модулей. Однако большинство фотоэлектрических модулей, представленных на рынке сегодня, не имеют КПД выше 20%.
Это не означает, что панели не выполняют свою работу правильно; это только означает, что только 20% от общего количества солнечной энергии, которая достигает вашей панели, будет собираться и использоваться для выработки электроэнергии. Вот почему позиционирование очень важно для солнечных батарей. Итак, почему только 20% (или меньше), почему бы не поглотить всю энергию? Что ж, возможно, в будущем мы сможем использовать энергию света на 100%, но сейчас мы ограничены самим светом.
Все мы знаем тот факт, что свет не является однородным и что он состоит из отдельных длин волн (цвета, которые мы видим в радуге или когда мы помещаем луч света через призму). На самом деле это означает, что разные длины волн будут иметь разные уровни энергии. Учитывая тот факт, что для высвобождения электрона необходим определенный уровень энергии, некоторые фотоны будут проходить через солнечный элемент, не оказывая на него никакого воздействия. Все это привело ученых и производителей к пониманию того, что только определенные длины волн могут быть действительно эффективными для высвобождения этих электронов.
Требуемое количество энергии выражается в единицах, называемых вольт электронов (эВ), и зависит от материала, используемого для создания ячейки. Например, количество энергии, необходимое для кристаллического кремния, составляет 1,1 эВ. В научных терминах это называется энергией запрещенной зоны для конкретного материала.
Теперь, если фотон слишком силен, тогда мы теряем лишнюю мощность, поэтому необходимо установить этот интервал полосы. Другие потери возникают при транспортировке электронов к месту назначения из-за того, что кремний является полупроводником. Чтобы минимизировать эти потери, производители начали использовать металлические сетки, чтобы сократить расстояние, которое должны пройти электроны.
Процесс питания вашего дома солнечной энергией.
Теперь, когда мы обсудили несколько внутренних аспектов солнечных панелей, пришло время посмотреть, как они на самом деле работают в доме.
Ориентация фотоэлектрических модулей
Как мы уже упоминали ранее, панели должны быть ориентированы на солнце, чтобы вырабатывать максимальное количество энергии, на которое они способны. Кроме того, угол наклона чрезвычайно важен, поэтому крыша вашего дома не всегда является правильным ответом. Фотоэлектрические модули всегда должны быть ориентированы на юг, а угол наклона должен быть равен широте их площади (насколько это возможно).
Модули также могут быть использованы для максимизации энергии в зависимости от времени суток: больше энергии утром или днем. Убедитесь, что вокруг панелей нет тени, потому что даже затененная ячейка может изменить эффективность всего модуля.
Выберите правильный размер
Более крупный модуль определенно будет производить больше энергии, чем меньший, поскольку в него встроено больше солнечных элементов. Тем не менее, больший модуль займет больше места на вашей крыше или в вашем саду и будет более сложным в обслуживании. Кроме того, если вы не используете всю энергию, которую способен производить ваш модуль, вы будете тратить ее впустую, а это не то, что вам нужно.
Итак, как вы убедитесь, что у вас есть энергия в течение года со всей непредсказуемой погодой и всем этим? Ну, ответ не очень сложный. Вам просто нужно сделать несколько расчетов:
- Дизайн для худшего месяца: просмотрите данные о погоде, опубликованные за последние годы, и посмотрите, сколько солнечного света было наихудшей. Вы должны спроектировать свою систему в соответствии с этими данными, если вы хотите постоянный и эффективный поток энергии;
- Рассчитайте свои потребности: соберите счета за электроэнергию за последние годы и рассчитайте среднемесячное значение. Это минимальная энергия, которую вы должны получить с солнечными батареями во время наихудшего месяца (в климатических условиях).
Маленькая хитрость: Чтобы достичь определенного уровня напряжения, вы можете подключить несколько модулей последовательно.
Дни без солнца и жизнь полностью из сети.
Все мы знаем, что бывают дни, когда солнце не светит или светит слишком мало, чтобы производить достаточно энергии для всего дома. Это действительно главная проблема, когда дело доходит до полной независимости на энергетическом уровне: вы никогда не знаете, когда дождливый день может все испортить для вас и вашей семьи.
Однако ситуация не совсем безнадежна, так как есть и способы решения этой проблемы:
- Аккумуляторы для хранения вашей энергии. — Вы должны использовать специальный тип, называемый батареями глубокого цикла. Они способны выделять меньшее количество энергии и при этом сохранять долгий срок службы. Они нуждаются в особом обслуживании и не будут длиться всю жизнь; Вы должны заменить их каждые несколько лет. Кроме того, если вы хотите, чтобы они оставались дольше, вам понадобится контроллер заряда, чтобы вы не перегружали их.
- Резервные генераторы — когда ваш энергетический доход низок. Это означает, что вам действительно придется купить генератор и необходимое топливо, и вы должны быть уверены, что сможете прокормить всю свою семью как минимум на несколько дней.
- Подключение к электрической сети — Таким образом, когда у вас слишком много энергии, вы можете продать ее национальной системе, а когда у вас слишком мало, вы можете купить ее. Для этого вам понадобится специальное оборудование, и вы должны подписать контракт с национальным поставщиком. Местные законы могут отличаться от региона к региону, поэтому убедитесь, что вы получаете правильную информацию, прежде чем начать покупать оборудование.
Кормление ваших приборов.
Теперь, когда вы решили проблему с хранением и днями без солнечного света, вы должны решить еще одну. Электрический ток, производимый вашим фотоэлектрическим устройством, является постоянным, и ваши устройства не предназначены для его питания. Вам нужно будет купить инвертор и все необходимое оборудование для его установки, чтобы использовать солнечную энергию для питания вашего дома.
В заключение
Это может показаться большой работой, и это может быть большой инвестицией, но со временем вы можете получить ее обратно. Только идея жить полностью вне сети и не зависеть от национальной системы, которая заряжает вас каждый месяц завышенной энергией, должна быть очень сильной мотивацией.
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГИЯ
