Солнечные батареи

Альтернативная энергетика все шире используется во всех бытовых сферах. Если ранее частные гелиостанции или «солнечные» универсальные зарядки вызывали удивление и недоверие, то сегодня они превратились в привычные атрибуты повседневной жизни. Но несмотря на такую популярность мало кто четко представляет себе, что из себя представляет солнечная батарея и как она все-таки работает.

По сути, «солнечная батарея» — это совокупность соединенных между собой пластинок фотоэлементов, заключенная в общий корпус с прозрачной лицевой панелью и вырабатывающая электричество. Это определение полностью отражает и назначение такой батареи, и некоторые особенности ее конструкции. Используют подобные системы исключительно для получения электричества, которое затем расходуется на самые разные цели, от питания телефона до энергообеспечения коттеджа.

Альтернативная энергетика все шире используется во всех бытовых сферах. Если ранее частные гелиостанции или «солнечные» универсальные зарядки вызывали удивление и недоверие, то сегодня они превратились в привычные атрибуты повседневной жизни. Но несмотря на такую популярность мало кто четко представляет себе, что из себя представляет солнечная батарея и как она все-таки работает.

По сути, «солнечная батарея» — это совокупность соединенных между собой пластинок фотоэлементов, заключенная в общий корпус с прозрачной лицевой панелью и вырабатывающая электричество. Это определение полностью отражает и назначение такой батареи, и некоторые особенности ее конструкции. Используют подобные системы исключительно для получения электричества, которое затем расходуется на самые разные цели, от питания телефона до энергообеспечения коттеджа.

Структурные элементы

Основа такой конструкции – ячейка фотоэлемента. Солнечная батарея состоит из определенного количества (оно зависит от выходных параметров) фотоячеек, соединенных между собой последовательно или же параллельно. Сама фотоячейка – это полупроводниковая структура, состоящая из двух полупроводников разного типа проводимости. Для серийного производства применяют кремниевые полупроводники, хотя на самом деле спектр используемых материалов гораздо шире. На их основе изготавливают монокристаллические, поликристаллические и гибкие (тонкопленочные) ячейки, которые и генерируют фототок.

Второй элемент – корпус. Солнечная батарея имеет защитный корпус, лицевая часть которого полностью прозрачна. Изготавливается она из высокопрочного стекла, способного противостоять всем снего-ветровым нагрузкам. Еще один аспект – стекло должно обладать определенными оптическими характеристиками для максимально полного пропускания поглощаемого спектра. Сам корпус производят из анодированного алюминия, неподверженного коррозии. Расположенные на корпусе коммутационные клеммы (для соединения батарей друг с другом или включения в энергосеть дома) тщательно защищают от проникновения влаги.

Особенности работы

Работает солнечная батарея достаточно просто. В основе ее действия лежит фотоэффект, иными словами, способность разноименных полупроводников генерировать ток. На границе между полупроводниками образуется особая область, p-n зона. С одной стороны в ней наблюдается дефицит электронов, с другой – так называемых «дырок», положительно заряженных узлов. Полупроводник поглощает фотоны солнечных лучей, которые передают свою энергию электронам. Электроны под действием полученной энергии начинают движение и образуют направленный поток, он же – фототок.

Размещают полупроводники один над другим, формируя двухуровневую структуру. Если речь идет о кремнии, то используют пластинки с добавлением определенных примесей (примесь бора для формирования избытка электронов, примесь мышьяка для создания избытка «дырок»). Такая солнечная батарея способна генерировать фототок очень долго, единственное условие – наличие света. Солидный срок службы подобных элементов связан с тем, что при их работе отсутствуют какие-либо химические процессы и не происходит разрушения структуры полупроводников.

По сути, обе пластины полупроводников играют роль классических электродов. Однако их возможности все же ограничены. Средний КПД серийных батарей составляет порядка 20%, что связано главным образом с тем, что солнечная батарея поглощает далеко не все падающие на ее поверхность фотоны, а только те, энергия которых укладывается в определенные пределы.

Виды фотоячеек

На базе кремния изготавливают фотоячейки трех типов. Работают они по одному и тому же принципу, тем не менее, между ними есть определенные различия.

Поликристаллические ячейки

Изготавливают их из поликристаллов кремния. Как следствие, такие ячейки имеют неоднородную структуру и чуть хуже поглощают солнечный спектр. Их КПД несколько ниже, чем у ячеек, произведенных из монокристаллов, однако стоят они дешевле. В связи с этим при одинаковой мощности их площадь поверхности будет примерно на 20% больше.

Монокристаллические ячейки

Для них характерна однородная, равномерная структура, поскольку получаются они из кремниевых монокристаллов. За счет этого они обладают более высоким КПД. Стоимость их также несколько выше, что связано с более дорогим производственным процессом. Отличительная черта моноячеек – форма квадрата со срезанными углами.

Тонкопленочные ячейки

Эти ячейки отличаются гибкой структурой, поскольку представляют собой полупроводниковый слой, напыленный на тонкую подложку. Такая солнечная батарея может устанавливаться не только на ровных, но и на криволинейных поверхностях. В связи с этим тонкопленочные панели востребованы в городской архитектуре. КПД гибких батарей несколько ниже (порядка 10-12%). Соответственно, при аналогичной с кристаллическими изделиями выходной мощности они будут иметь в несколько раз большую площадь.

Коммутация

Естественно, по отдельности фотоячейки не могут вырабатывать мощность и напряжение, достаточные для обеспечения работоспособности техники или энергоснабжения дома. Поэтому их соединяют между собой определенным образом. Чаще всего используют последовательно-параллельное соединение, при помощи которого можно получить точно заданные параметры. Параллельное соединение ячеек между собой позволяет повысить выходной ток, последовательное – напряжение. При помощи же смешанной коммутации оба эти параметра можно регулировать одновременно, добиваясь того, чтобы солнечная батарея выдавала оптимальные параметры.