Кому не понравится мысль о собственной энергии и независимости от общей электросети? Только представьте: вам больше не придется ежемесячно платить за электричество. Звучит заманчиво, не правда ли? Благодаря современным технологиям это стало возможным с помощью солнечных панелей! Энергетическая самостоятельность и забота об экологии — это уже не фантастика, а реальность. Мы можем производить собственное электричество простым и эффективным способом, используя передовые солнечные технологии.
Умение разбираться в принципах работы этих устройств может однажды стать бесценным навыком. Представьте масштабное стихийное бедствие, которое перевернуло привычный мир. Промышленность остановилась, топлива нет, мировая экономика в хаосе, а выживших осталось немного.
После первоначального шока наступит время восстанавливать жизнь, но без энергии это будет невероятно сложно. Если вы знаете, как собрать солнечную панель, накопить и использовать полученную энергию, у вас будет электричество и весомое преимущество.
Сегодня мы подробно разберем механизмы, благодаря которым работает это устройство. Мы заглянем внутрь солнечной панели и поймем, что заставляет её функционировать. Но для начала давайте определим, что же это за чудо-технология.
Солнечные батареи: определение и основы.
Научное название этих устройств — фотоэлектрические преобразователи. По сути, это означает преобразование света в электричество. Это самое простое и точное определение: солнечные панели — это устройства, превращающие свет в электроэнергию. Их называют солнечными, потому что наш главный и самый мощный источник света — Солнце, но они могут реагировать и на другие источники освещения.
Основной принцип прост: эти модули используют энергию солнечного света (точнее, частиц света — фотонов) для генерации электричества посредством фотоэлектрического эффекта — явления, основанного на физических и химических процессах.
Чтобы продемонстрировать эффективность современных солнечных технологий, стоит упомянуть, что даже NASA использует фотоэлектрическую энергию на своих космических кораблях, чтобы обеспечить питание для выполнения миссий в космосе. Единственный нюанс — эти устройства должны быть всегда направлены к Солнцу, чтобы получать максимум света.
Это одно из ключевых требований для солнечной панели: прямое воздействие света. Если устройство не получает достаточно света, его эффективность падает, поэтому для домашних систем крайне важно правильное расположение. Кроме того, для бытового использования солнечные устройства делятся на три основные категории:
- Солнечные коллекторы для нагрева воды — эти системы используют солнечную энергию для подогрева воды, используемой в доме;
- Тепловые солнечные коллекторы — это устройство улавливает инфракрасное или ультрафиолетовое солнечное излучение и преобразует его в электричество;
- Фотоэлектрические панели — это панели, состоящие из электрически соединенных элементов, установленных на несущей конструкции.
Теперь, когда мы знаем, что такое фотоэлектрическое устройство, пора разобраться, как оно работает на практике.
Наука, стоящая за солнечными устройствами.
Все довольно просто: когда частицы света (фотоны) попадают на солнечный элемент, они выбивают электроны из их атомов, создавая поток электричества. Здесь мы вводим новый термин: солнечный элемент, или фотоэлектрическая ячейка. Это небольшие единицы, которые особым образом собираются вместе и формируют солнечную панель. Таким образом, солнечная панель — это упорядоченная сборка солнечных элементов.
Поскольку мы выяснили, что все солнечные устройства состоят из мелких частей, логично начать с них, а затем перейти к более сложной системе. Поэтому далее мы обсудим солнечный элемент.
Как работают солнечные элементы: основы и структура
Если кратко, солнечный элемент — это два слоя полупроводникового материала, расположенных один над другим, как в бутерброде. Чаще всего в этой роли используется кремний, поскольку он сочетает свойства проводника и изолятора. В связке с другими материалами кремний создает необходимые заряды для возникновения электрического тока. Именно поэтому солнечный элемент имеет слоистую структуру — для создания электрического поля.
Для этого каждый слой должен иметь противоположные заряды, поэтому кремний смешивают с другими веществами. Производители добавляют фосфор в верхний слой, чтобы получить лишние электроны и создать отрицательный заряд (n-тип), и бор в нижний слой, чтобы уменьшить число электронов и создать положительный заряд (p-тип). При соединении в «бутерброд» два разноименно заряженных слоя кремния создают переход, через который могут двигаться электроны.
Так возникает электрическое поле между слоями. Когда фотон попадает в ячейку, часть его энергии поглощается, высвобождая электроны, а электрическое поле проталкивает их через переход к проводящим металлическим пластинам, расположенным по бокам элемента. Эти электроны собираются и направляются по проводам для питания электроприборов.
Лучшая аналогия — игра в бильярд: белый шар (фотон) сталкивается с другими шарами (атомами), приводя их в движение. Выбитые электроны движутся по проводам (как шары по желобам стола), пока не достигнут цели.
Как видите, в теории процесс прост и подчиняется базовым законам, но на практике все несколько сложнее.
Особые свойства кремния, используемые в солнечных элементах.
Вам наверняка интересно, почему кремний так полюбился производителям. Что ж, мы здесь, чтобы во всем разобраться, так что читайте дальше, если хотите узнать больше о солнечных элементах и материалах для их создания.
В кристаллической форме кремний обладает особыми свойствами благодаря своей структуре из 14 электронов, расположенных в три слоя, два из которых полностью заполнены. Поскольку внешний слой не завершен, атом кремния всегда стремится соединиться с четырьмя соседними атомами. Именно это свойство формирует кристаллическую решетку, столь важную для фотоэлектрических устройств.
Поскольку чистый кристаллический кремний — не лучший проводник, производители добавляют в него другие материалы (как упоминалось выше). Мы уже говорили о фосфоре, и вот почему он используется: у фосфора 5 электронов во внешнем слое, и, связываясь с 4 атомами кремния, один электрон остается «лишним». Это придает кремнию отрицательный заряд, что идеально для солнечных элементов — появляются свободные электроны.
Когда материал получает энергию (например, свет или тепло), некоторые электроны высвобождаются, так как их удерживают не самые прочные связи. Покидая свои места, они оставляют после себя «дырки» и начинают перемещаться в поисках новых. Этот процесс и создает электрический ток.
Бор — еще один элемент, добавляемый в смесь. У него всего 3 электрона, что создает в структуре «дырки». Это помогает придать кремнию положительный заряд. Процесс соединения чистого кремния с другими элементами называется легированием и используется для создания более эффективных проводников.
Изучение анатомии солнечного элемента.
Мы уже выяснили, что два слоя кремния должны быть соединены в структуру типа «бутерброда» для формирования электрического поля. Давайте разберемся, что это значит и зачем нужно.
Когда два куска кремния (n-типа и p-типа) вступают в контакт, свободные электроны со стороны n-типа стремятся заполнить свободные «дырки» в части p-типа. Может показаться, что при таком перемещении электронов электрическое поле не возникнет, и это верно. Однако на стыке двух слоев кремния образуется барьер, затрудняющий переход электронов на другую сторону.
Когда устанавливается равновесие, между двумя слоями кремния возникает электрическое поле. Это поле имеет направление: от стороны P к стороне N, и никогда наоборот. Это позволяет свободным электронам с стороны P перемещаться на сторону N, в результате чего на одной стороне скапливаются электроны, а на другой — «дырки».
Фотон с достаточной энергией выбивает ровно один электрон, создавая еще одну «дырку» на стороне P. Это формирует путь, который мы можем использовать, добавив внешние элементы, чтобы направить поток электронов на сторону P, где они воссоединятся со своими «дырками». Этот процесс и создает электрический ток, а поле создает напряжение. Именно это нам и нужно для питания устройств: ток и напряжение.
Другие необходимые элементы солнечного элемента.
Пока мы обсудили только самые важные части солнечного элемента: кремниевые компоненты и их взаимодействие. Однако для получения энергии и обеспечения максимальной эффективности фотоэлектрической ячейки потребуется еще несколько элементов:
- Металлические пластины — они крепятся к каждой стороне ячейки, чтобы создать путь для тока;
- Антибликовое покрытие — Кремний может быть настолько блестящим, что фотоны отражаются от него, не успев выбить электрон. Это снижает эффективность ячейки, поэтому наносится специальное покрытие.
Это основы, которые нужно знать о солнечных элементах. С этой информацией вы сможете собрать собственные солнечные элементы, если ситуация того потребует. Это также может стать увлекательным проектом, который поможет сократить счета за электричество.
Как работают солнечные батареи: эффективность и процесс?
Солнечные панели, или фотоэлектрические модули, — это, по сути, набор отдельных солнечных элементов, соединенных вместе для достижения нужных уровней тока и напряжения. Поскольку одна ячейка не может произвести достаточно энергии для питания мощных приборов, фотоэлектрические модули являются идеальным решением.
Для эффективного производства энергии солнечные элементы нужно защищать от воздействия окружающей среды, а поскольку фотоэлектрические модули устанавливаются на улице, их покрывают защитным стеклом. Итак, подведем итог: солнечная панель — это собрание солнечных элементов, соединенных между собой, помещенных в прочный каркас и покрытых стеклянной пластиной. Все просто, не так ли?
Эффективность фотоэлектрических модулей
Теперь, когда мы знаем, как они работают, давайте посмотрим, как эти фотоэлектрические модули могут помочь нам сэкономить на счетах за электричество. Разве не здорово было бы использовать столько энергии, сколько нужно, не думая о ежемесячных платежах?
Первое, что мы обсудим, — это эффективность, то есть реальное количество солнечной энергии, которое панели могут поглотить и преобразовать. Вы удивитесь, но КПД панелей далек от 100%. Например, в 2012 году эффективность бытовых фотоэлектрических модулей составляла всего 12–18%. Однако с тех пор технологии шагнули вперед, и к 2015 году коммерческие образцы достигли КПД свыше 50%. Тем не менее, большинство модулей на рынке сегодня имеют эффективность не более 20%.
Это не значит, что панели плохо справляются со своей задачей; это означает, что только 20% солнечной энергии, достигающей панели, будет преобразовано в электричество. Вот почему так важно правильное расположение панелей. Почему только 20% (или меньше)? Почему нельзя использовать всю энергию? Возможно, в будущем мы научимся использовать свет на 100%, но сейчас мы ограничены его природой.
Все мы знаем, что свет неоднороден и состоит из разных длин волн (цвета, которые мы видим в радуге или когда пропускаем луч через призму). Это значит, что разные волны несут разное количество энергии. Учитывая, что для высвобождения электрона требуется определенный уровень энергии, некоторые фотоны проходят сквозь солнечный элемент, не оказывая на него никакого воздействия. Это привело ученых и производителей к пониманию, что только определенные длины волн эффективны для выбивания электронов.
Необходимое количество энергии измеряется в электрон-вольтах (эВ) и зависит от материала, из которого сделана ячейка. Например, для кристаллического кремния требуется 1,1 эВ. В научных терминах это называется шириной запрещенной зоны материала.
Если фотон слишком энергичный, избыток мощности теряется, поэтому и важен этот диапазон. Другие потери возникают при транспортировке электронов, поскольку кремний является полупроводником. Чтобы минимизировать эти потери, производители начали использовать металлические сетки, сокращающие путь, который должны пройти электроны.
Процесс питания вашего дома солнечной энергией.
Теперь, когда мы разобрались с внутренним устройством солнечных панелей, давайте посмотрим, как они работают в домашних условиях.
Ориентация фотоэлектрических модулей
Как мы уже упоминали, панели должны быть направлены на солнце, чтобы производить максимум энергии. Кроме того, очень важен угол наклона, поэтому крыша дома не всегда является идеальным местом. Фотоэлектрические модули следует ориентировать на юг, а угол наклона должен быть максимально близок к широте местности.
Модули также можно настроить для максимизации выработки энергии в определенное время суток: утром или днем. Убедитесь, что на панели не падает тень, потому что даже одна затененная ячейка может снизить эффективность всего модуля.
Выбор правильного размера
Крупный модуль, безусловно, производит больше энергии, чем маленький, поскольку содержит больше солнечных элементов. Однако он займет больше места на крыше или в саду и потребует более сложного обслуживания. Кроме того, если вы не используете всю производимую энергию, она будет потрачена впустую, а это не в ваших интересах.
Как же обеспечить себя энергией круглый год, несмотря на капризы погоды? Ответ не так уж сложен. Нужно произвести несколько расчетов:
- Ориентируйтесь на худший месяц: изучите погодные данные за последние годы и определите месяц с наименьшим количеством солнца. Проектируйте свою систему исходя из этих данных, если хотите стабильный и эффективный поток энергии;
- Рассчитайте свои потребности: соберите счета за электроэнергию за последние годы и вычислите среднемесячное потребление. Это минимум энергии, который ваша солнечная система должна производить даже в самый пасмурный месяц.
Небольшая хитрость: Чтобы достичь нужного напряжения, вы можете соединить несколько модулей последовательно.
Безсолнечные дни и жизнь полностью автономно.
Все мы знаем, что бывают дни, когда солнца почти нет, и энергии производится недостаточно для нужд дома. Это главная проблема полной энергетической независимости: никогда не знаешь, когда пасмурная погода нарушит все планы.
Однако ситуация не безнадежна, и есть несколько способов ее решения:
- Аккумуляторы для накопления энергии. — Вам понадобятся специальные аккумуляторы глубокого разряда. Они способны отдавать меньше энергии, но имеют длительный срок службы. Они требуют особого ухода и не вечны; их нужно менять каждые несколько лет. Кроме того, для продления их жизни потребуется контроллер заряда, чтобы избежать перегрузок.
- Резервные генераторы — на случай, когда энергии от солнца недостаточно. Это означает, что вам придется приобрести генератор и топливо, чтобы обеспечить семью электричеством как минимум на несколько дней.
- Подключение к общей электросети — Таким образом, излишки энергии можно продавать в сеть, а в случае нехватки — покупать. Для этого потребуется специальное оборудование и договор с энергоснабжающей компанией. Местное законодательство может различаться, поэтому убедитесь, что вы получили всю необходимую информацию, прежде чем покупать оборудование.
Питание бытовых приборов.
Решив вопрос с хранением энергии и пасмурными днями, вы столкнетесь с еще одной задачей. Электрический ток, производимый фотоэлектрическими устройствами, является постоянным, а ваши приборы работают на переменном. Вам потребуется инвертор и сопутствующее оборудование для преобразования постоянного тока в переменный.
В заключение
Это может показаться масштабной работой и серьезными инвестициями, но со временем они окупятся. Сама идея жить полностью автономно, не завися от государственной системы и ее ежемесячных счетов, уже является мощной мотивацией.
