Солнечный модуль — это устройство, предназначенное для преобразования солнечного излучения в электроэнергию. Краткое определение: солнечный модуль … Словарь по географии
Солнечные батареи: принцип работы
Устройства, функционирующие для преобразования солнечного излучения в электроэнергию, обычно называют солнечными панелями. Эти генераторы активны, пока светит солнце, что делает их источником энергии практически безграничным, ведь солнечный свет доступен во многих местах и по мере солнечной активности.
Александр Эдмон Беккерель
В 1839 году, когда французский физик Александр Эдмон Беккерель был всего 12 лет, он открыл фотоэлектрическое явление. Это произошло в лаборатории его отца, Антуана Беккереля. Суть обнаруженного явления заключалась в том, что, когда платиновые пластины освещались в растворе электролита, гальванометр фиксировал возникновение электрической силы. На основе этого открытия Беккерель затем разработал радиограф — прибор для регистрации интенсивности света, что позволило углубить понимание взаимодействия света с материалами.
Дальше в сторону создания солнечных батарей привело открытие светопроводимости селена, сделанное британским инженером-электриком Уиллоуби Смитом в 1873 году. Он работал над изоляцией подводных кабелей и заметил, что электрическое сопротивление серого селена «скачет» от измерения к измерению, то есть, становилось изменчивым. Исследования показали, что электрическая проводимость селеновых стержней значительно увеличивается под воздействием света. В 1883 году американец Чарльз Фритс создал первый фотоэлемент, состоящий из тонкого слоя селена, помещенного между золотыми и медными пластинами.
В 1887 году немецкий физик Генрих Герц продемонстрировал, как солнечная радиация влияет на электрический разряд. Он наблюдал, что интенсивная вспышка света, возникающая от первого разряда, приводит к увеличению времени другого разряда, что указывало на способность света взаимодействовать с электрическими потоками.
Александр Григорьевич Столетов
В 1888 году наш соотечественник, Александр Григорьевич Столетов, исследовал, как отрицательно заряженный цинковый электрод разряжается под воздействием света, а также как этот процесс варьируется в зависимости от его интенсивности. Его эксперименты стали важным вкладом в изучение фотоэлектричества.
Исследования известных физиков, таких как Джозеф Томсон в 1899 году и Филипп Ленард в 1900 году, подтвердили, что свет, попадая на металлическую поверхность, способен выбрасывать электроны и генерировать фототок. Однако полное понимание природы этого феномена пришло в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн объяснил его с использованием квантовой теории.
Джозеф Томсон (слева) и Филипп Ленард (справа).
Широкое применение солнечных батарей началось в 1946 году, когда были запатентованы устройства, способствующие повышению их эффективности. В 1957 году солнечные панели отправили в космос в рамках искусственного спутника Земли. Это объясняет, что солнечные батареи не только могут питать спутники, но и служат единственным источником энергии, обеспечивающим бесперебойную работу таких автономных устройств вне атмосферы.
Принцип работы и устройство солнечной батареи
Системы солнечной энергии сегодня в основном используют солнечные инверторы, которые производятся из кремния. Существенно выделяются две основные технологии, применяемые в производстве батарей: поликристаллическая и монокристаллическая.
Поликристаллическая технология, как правило, дешевле, но одновременно она менее эффективна по сравнению с монокристаллической. В то же время, монокристаллические солнечные батареи имеют более высокую стоимость, что оправдывается затратами на производство, включая ресурсы и трудоемкость процесса. Благодаря этим факторам монокристаллические модули вырабатывают больше электроэнергии и имеют значительно более длительный срок эксплуатации, что делает их более предпочтительными для ежедневного использования.
Работа солнечного элемента зависит от его конструкции, которая включает в себя внешние кремниевые пластины с различными свойствами проводимости и внутренний слой из чистого монокристаллического кремния. Внутренний слой демонстрирует фиксированную проводимость для отверстий. Одни из внешних проводников имеют меньшую толщину по сравнению с противоположным слоем и покрыты специальным слоем, который обеспечивает прочный металлический контакт.
Когда солнечный свет попадает на один из внешних слоев, возникает фотоэлектрический эффект, побуждающий к образованию свободных электронов в этом слое. Эти частицы, получая дополнительную энергию от света, способны преодолевать внутренний слой элемента, который представляет собой так называемый барьер. Чем больше солнечного света попадает на панель, тем большее количество электронов будет мигрировать между внешними пластинами, пересекая внутренний барьер. При замыкании внешних пластин возникает напряжение. Пластина, испускающая интенсивные частицы и образующая так называемые «дыры», получает отрицательный заряд, в то время как принимающая пластина накапливает положительный заряд.
Типы солнечных батарей
В современном мире на рынке представлено пять различных типов солнечных панелей, каждая из которых использует свои уникальные материалы и фотоэлектрические элементы.
Максимальное количество солнечных батарей производится с использованием поликристаллических фотоэлектрических элементов, и их эффективность обычно составляет от 12% до 14%.
Поликристаллическая солнечная панель
Монокристаллические ячейки обладают самой высокой эффективностью среди всех существующих панелей — от 14% до 16%. Тем не менее, они стоят дороже по сравнению с модулями, созданными на основе поликристаллического кремния. Эти элементы имеют многоугольную форму, что приводит к неполному заполнению площади солнечной батареи, что в свою очередь снижает общую эффективность модуля.
Монокристаллические солнечные элементы
Солнечные батареи на основе аморфного кремния могут продемонстрировать низкую эффективность, которая колеблется в пределах 6% — 8%, но в то же время имеют преимущество по низким затратам на выработку энергии.
Солнечные батареи из аморфного кремния
Солнечные батареи на основе теллурида кадмия (CdTe) являются примером технологии тонкопленочных солнечных батарей. Полупроводниковые слои в таких панелях покрывают пластину толщиной всего в несколько сотен микрометров, что делает данный вариант менее вредным для окружающей среды. Эффективность солнечных элементов на базе CdTe достигает 11% – 12%.
Солнечная панель из теллурида кадмия (CdTe)
Солнечные элементы, основанные на смесях индия, галлия, меди, меди и селена (CIGS), также относятся к тонкопленочным технологиям. Их выход колеблется от 10% до 15%. Хотя эта технология пока что не получила широкой популярности на рынке, она быстро набирает популярность благодаря своим характеристикам.
Солнечные элементы на основе смеси индия, галлия, меди, меди и селена (CIGS)
Если солнечный коллектор используется для отопления домов, такой проект можно считать полностью выполненным. В этой системе солнечные лучи нагревают теплоноситель, который циркулирует в системе отопления, обеспечивая таким образом обогрев жилых помещений.
Три основных типа солнечных панелей: что эффективнее и какой вариант будет лучше для вас?
На сегодняшний день наиболее распространенными типами солнечных модулей являются: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные панели. Они различаются как по конструкции, так и по внешнему виду, а также, что более важно, по своей эффективности. Каждое из этих типов имеет свои уникальные характеристики.
Основные типы солнечных панелей — сравнение
Давайте подробнее рассмотрим преимущества и недостатки различных типов солнечных панелей.
Тонкопленочные солнечные панели
В производстве тонкопленочных солнечных панелей в качестве основы используется аморфный кремний (a-Si), который является некристаллической версией кремния. Его состав напыляется специальным образом на гибкую подложку, создавая при этом гибкий лист. Тонкопленочные панели имеют ряд преимуществ, неудивительно, что они начали набирать популярность на рынке.
На данный момент теллурид кадмия (CdTe) является наиболее часто используемым материалом для создания тонкоплёночных моделей. Эти современные гибкие панели значительно отличаются от своих более ранних аналогов, выполненных из аморфного кремния.
Панели на основе селенида индия-галлия-меди (CIGS) также представляют собой пример технологии тонкопленочных солнечных батарей, однако такое решение пока менее распространено среди потребителей.
Эффективность тонкоплёночных солнечных панелей
Гибкие полимерные устройства заметно уступают своим кристаллическим аналогам в плане общей эффективности и производительности. Тем не менее, благодаря современным полупроводникам можно добиться значений эффективности до 11%. При этом стандартных размеров для тонкопленочных панелей не существует, однако если сравнить производительность кристаллических и тонкопленочных систем на площади 1 м², то первые всегда будут выдавать наибольшую мощность.
Тонкопленочные солнечные панели — всё зависит от материала
Цена, которую вам придется заплатить за тонкопленочные солнечные элементы, во многом определяется используемым для их производства материалом. Как правило, панели из CdTe и аморфного кремния являются наиболее экономичными в плане производства, в то время как варианты на основе CIGS могут оказаться значительно дороже.
Стоит отметить, что общая стоимость установки гибких солнечных панелей может быть ниже по сравнению с монокристаллическими или поликристаллическими системами. Они легче и более практичны, что значительно упрощает монтажникам транспортировку таких панелей на крышу и их последующее крепление. Это также снижает затраты на рабочую силу и облегчает процесс установки.
Так что же выбрать?
Монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные панели имеют свои достоинства и недостатки. Обычно выбор между ними зависит от характеристик вашего здания и энергетических потребностей вашего хозяйства.
Для владельцев домов, оснащенных большим количеством солнечных модулей, может быть выгодно установить менее эффективные, но и менее дорогие поликристаллические панели. Если ограниченное пространство является фактором при установке, высокий КПД монокристаллических панелей станет более подходящим вариантом.
Тонкопленочные модули чаще всего устанавливаются на просторные коммерческие и промышленные крыши, которые могут не выдерживать дополнительный вес традиционных солнечных панелей. Иногда тонкопленочные решения также оказываются идеальными для применения в переносных солнечных системах, таких как фургоны или лодки.
Все типы солнечных модулей обладают уникальным процессом производства, который и формирует их конечные характеристики. Монокристаллические коллектора обладают наивысшими показателями эффективности, однако если у вас достаточно пространства для установки солнечной системы, вы можете сэкономить средства путем установки поликристаллических модуля. Кроме того, тонкопленочные фотоэлектрические установки имеют самую низкую эффективность, но их легче устанавливать, что делает их удобным вариантом для определенных условий.
