Как работают солнечные батареи

В рамках международных программ по устойчивому развитию и глобального «озеленения» специалисты ищут альтернативные источники энергии. Одним из таких решений являются солнечные батареи, которые все чаще используются в новых домах — в том числе в России. Т&Р рассказывают, как рассчитать необходимую для солнечных батарей энергию, и объясняют, почему их нельзя считать полностью экологичными.

Устройство солнечных батарей

Согласно данным Statista, мировая мощность солнечных батарей выросла с 5 гигаватт в 2005 году до 509,3 гигаватта к 2018 году. В одной только Германии совокупное количество солнечных батарей достигло 42,4 гигаватта. Эта технология остается одним из наиболее финансируемых возобновляемых источников, а стоимость рынка солнечной энергии продолжает расти.

Система с солнечными батареями может полностью обеспечивать электроэнергией средний дом в течение нескольких часов, если он подключен к сети. Даже если электричество отключить, батареи продолжат работу.

Система накопления солнечной энергии состоит из четырех основных частей:

Солнечные панели — они обеспечивают электричеством систему при достаточном солнечном свете.

Контроллеры заряда солнечных батарей — управляют мощностью, поступающей в батареи, и предотвращают обратный ток, который истощает батареи, когда солнце не светит.

Батареи — запасают энергию постоянного тока от солнечных панелей для последующего использования в доме.

Инвертор — преобразует мощность постоянного тока от солнечных панелей или батарей в мощность переменного тока для дома.

Две кремниевые пластины покрыты разными веществами (бор и фосфор). На пластинке с фосфором образуются свободные электроны. Они начинают двигаться под воздействием солнечного света. Образуется электрический ток, который впоследствии направляется в сами батареи, где и накапливается солнечная энергия.

Чем больше панель, тем больше энергии вы можете собрать. Иногда собирается больше энергии, чем необходимо, поэтому на более крупных панелях устанавливается стабилизатор напряжения для управления потоком энергии и предотвращения повреждения батареи. При выборе солнечной батареи нужно знать, сколько энергии она может хранить. Затем вы можете выбрать солнечную панель, которая может пополнить ваш запас энергии в батарее с учетом того, как часто вы пользуетесь какой-то техникой.

Как рассчитать солнечную энергию

Теоретически, чтобы рассчитать энергию солнечной батареи, нужно умножить ватты (солнечной панели) на количество часов нахождения на солнце. Например, если телевизор мощностью 20 Вт будет включен в течение двух часов, его батарея потребует 20×2 = 40 Вт в день.

На практике этот способ не работает, так как есть множество внешних факторов, таких как сезонные различия, климатические и так далее.

Британская организация Solar Technology International приводит пример: в средний зимний день в Великобритании период солнечного света составляет всего один час, в летние дни — около шести часов солнечного света. Таким образом, зимой 10-ваттная панель будет обеспечивать 10-ваттную энергию обратно в батарею (10 Вт x 1 = 10 Вт). А летом 10-ваттная панель будет обеспечивать 60-ваттную энергию обратно в вашу батарею (10 Вт x 6 = 60 Вт).

Солнечные батареи — это экологично?

Для изготовления солнечных панелей требуются едкие химические вещества, такие как гидроксид натрия и плавиковая кислота, а в процессе используется вода, а также электричество, при производстве которых выделяются парниковые газы.

Согласно данным National Geographic, в Китае производитель панелей Jinko Solar столкнулся с протестами, на него подали в суд, так как один из его заводов в восточной провинции Чжэцзян сбрасывал токсичные отходы в близлежащую реку.

Кроме того, до сих пор не решена проблема с переработкой солнечных батарей. Бен Сантаррис, директор по стратегическим вопросам SolarWorld, сказал, что его компания прикладывает усилия по переработке панелей, но результата пока нет. По словам Дастина Малвани, доцента экологических исследований в Государственном университете Сан-Хосе, переработка крайне важна из-за материалов, используемых для изготовления панелей, так как при попадании в мусорку они становятся опасны для окружающей среды. По данным Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation, на переработку солнечных панелей, выпущенных за все время в Японии, потребуется не менее 19 лет.

Любовь Карась

Теги

#батареи

#альтернативные источники энергии

#солнечная энергия

#энергия

Работают ли солнечные батареи зимой?

Солнечные батареи – современное оборудование, которое позволит вам обеспечить себя энергией, защититься от перебоев в энергоснабжении и существенно сэкономить на счетах.

Организовать собственную солнечную электростанцию россиянам часто мешают сомнения по поводу работы солнечных панелей в зимнее время – смогут ли они выполнять свои функции в холодную или пасмурную погоду? Предлагаем разобраться в этом вопросе.

Принцип работы солнечных панелей

Солнечная панель состоит из множества солнечных элементов. Солнечный элемент – это полупроводниковый материал, он состоит из двух полупроводниковых слоев, p-типа и n-типа, которые отличаются типом проводимости. В материале n-типа есть много “лишних” электронов, поэтому он обладает электронной проводимостью. В материале p-типа наоборот – электронов не хватает, там есть вакантные места для них, которые называются “дырками”, соответственной такой полупроводник обладает дырочной проводимостью.

Принцип работы солнечной панели основана на явлении внутреннего фотоэффекта. Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, то “выбивает” электроны из атомов n-слоя, которые затем двигаются в p-слой занимать вакантные места.

Таким образом электроны перемещаются по замкнутой электрической цепи, выходят полупроводника p-типа, переходят в нагрузку, например, аккумулятор и возвращаются обратной в полупроводник n-типа.

Интересно, что солнечный свет – новый претендент на звание главного источника энергии в мире. Наша планета получает порядка 173 тераватта солнечной радиации, что в 10 000 раз превышает общемировое потребление энергии. Уже сейчас можно наблюдать начало повсеместного перехода на солнечную энергетику, и в будущем этот процесс будет только ускоряться.

Для выработки энергии нужно не тепло, а свет!

Возможно, вы удивитесь, но идеальным условием для работы солнечных батарей и активной выработки энергии является яркое солнце и невысокая температура. Дело в том, что энергия вырабатывается за счет света. Высокая температура воздуха не дает преимуществ, и даже, напротив, снижает эффективность выработки.

Российские зимы характеризуются низкими температурами. При этом бывают как ясные, так и пасмурные дни. Конечно, в пасмурную погоду света будет меньше, однако это не приговор. Если правильно выбрать угол наклона панелей, можно легко обеспечить достаточную выработку энергии даже в северных широтах. Помните, что объем энергии зависит и от площади самих батарей. Наконец, важно своевременно очищать поверхность панелей. Если они будут покрыты снегом, энергия вырабатываться не будет.

Это интересно!

Солнечные панели показали высокую эффективность даже в условиях Крайнего Севера на архипелаге Шпицберген. Проект начался с установки небольшой солнечной станции, мощность которой составляла 7,5 кВт. Рентабельность использования панелей на Шпицбергене оказалась в 2 раза выше, чем на материке. Низкие температуры воздуха способствовали повышению продуктивности, а снег просто скатывался с поверхности, не создавая сложностей.

Способы повышения эффективности солнечной электростанции зимой

• Использование специальных трекеров, позволяющих отслеживать движение солнечных лучей в течение дня, и менять угол наклона панелей в зависимости от направления.
• Очищение поверхности панелей от налипшего снега. Слой снега в несколько сантиметров не станет препятствием для работы, однако если его высота составит более 7-10 см, эффективность солнечных панелей зимой снизится до критического уровня. Очищать поверхность нужно с помощью специальных щеток. Помните, что во время работы на крыше нужно обеспечить безопасность с помощью страховки.
• Использование аккумулятора, накапливающего и надежно сохраняющего энергию, которая была выработана за последние дни. Также понадобится контроллер, который призван отслеживать повышение тока, чтобы поддержать оптимальную нагрузку и предотвратить снижение мощности.
• Устранение источников тени. На крышу, где будут установлены панели, не должны падать тени. Нужно минимизировать все, что может отбрасывать тень на крышу либо установить солнечные панели в другом месте.

Как выбрать солнечные панели, подходящие для северных широт?

Если вы решили примкнуть к рядам «альтернативщиков» и установить солнечную электростанцию, но все еще не уверены, как работают солнечные батареи зимой, – не волнуйтесь, ведь даже с учетом снижения объема солнечной радиации в зимнее время, организация солнечной энергосистемы продолжает оставаться выгодной, позволяя экономить на счетах за электричество.

Для правильного подбора панелей в вашем регионе нужно учитывать ваши потребности и планируемое потребление электроэнергии. Если вы новичок в этом деле, подобрать правильный комплект солнечной электростанции среди множества доступного оборудования будет непросто. Если у вас желание собрать солнечную электростанцию для дома, но вы не знаете, с чего начать, смело обращайтесь к специалистам компании REENERGO! Мы расскажем об особенностях оборудования и подберём оптимальный комплект.

Как работают солнечные панели?

(Изображение предоставлено: Getty Images)

Солнечные панели венчают крыши и дорожные знаки и помогают обеспечивать питание космических кораблей. Но как работают солнечные панели?

Проще говоря, солнечная панель работает, позволяя фотонам или частицам света выбивать электроны из атомов , создавая поток электричества , по данным Университета Миннесоты в Дулуте (открывается в новом вкладку). Солнечные панели на самом деле состоят из множества более мелких блоков, называемых фотогальваническими элементами — это означает, что они преобразуют солнечный свет в электричество. Множество ячеек, соединенных вместе, составляют солнечную панель.

Каждый фотогальванический элемент представляет собой бутерброд, состоящий из двух пластин полупроводникового материала. Согласно Proceedings National Graduate Conference 2012

, фотоэлектрические элементы обычно изготавливаются из кремния — того же материала, который используется в микроэлектронике.

Для работы фотогальваническим элементам необходимо создать электрическое поле. Подобно магнитному полю , возникающему из-за противоположных полюсов, электрическое поле возникает при разделении противоположных зарядов. Чтобы получить это поле, производители «припаивают» кремний другими материалами, придавая каждому кусочку сэндвича положительный или отрицательный электрический заряд.

В частности, они засевают фосфором в верхний слой кремния, согласно Американского химического общества , что добавляет к этому слою дополнительные электроны с отрицательным зарядом. Между тем, нижний слой получает дозу бора , что приводит к меньшему количеству электронов или положительному заряду. Все это создает электрическое поле на стыке кремниевых слоев. Затем, когда фотон солнечного света выбивает электрон, электрическое поле вытолкнет этот электрон из кремниевого соединения.

В 2021 году около четырех процентов домов в США питались от солнечной энергии. (Изображение предоставлено Getty Images)

Несколько других компонентов клетки превращают эти электроны в полезную энергию. Металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и передают их проводам, согласно данным Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE) . В этот момент электроны могут течь, как любой другой источник электричества.

Исследователи создали ультратонкие гибкие солнечные элементы толщиной всего 1,3 микрона — примерно 1/100 ширины человеческого волоса — и в 20 раз легче листа офисной бумаги. На самом деле, клетки настолько легкие, что могут сидеть поверх — мыльный пузырь , и тем не менее они производят энергию примерно с такой же эффективностью, как и солнечные элементы на основе стекла, сообщили ученые в исследовании, опубликованном в 2016 году в журнале

Organic Electronics . Более легкие и гибкие солнечные элементы, такие как эти, могут быть интегрированы в архитектуру, аэрокосмическую технологию или даже носимую электронику .

Существуют и другие типы технологий солнечной энергетики, включая солнечную тепловую и концентрированную солнечную энергию (CSP), которые работают иначе, чем фотоэлектрические солнечные панели, но все они используют энергию солнечного света либо для выработки электроэнергии, либо для нагрева воды или воздуха. .

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о солнечной энергии, вы можете посмотреть это видео по номеру NASA (откроется в новой вкладке). Кроме того, вы можете прочитать статью «6 вещей, которые вы не знали о солнечной энергии» (откроется в новой вкладке) Министерства энергетики США.

Библиография

«Солнечная энергия: осуществимое будущее». Устойчивое развитие, Миннесотский университет в Дулуте (2020 г.). https://conservancy.umn.edu/bitstream (открывается в новой вкладке)

«Обзор сравнения традиционных кремниевых солнечных элементов и тонкопленочных солнечных элементов CdTe». Материалы Национальной конференции выпускников (2012 г.

). https://www.researchgate.net (открывается в новой вкладке)

«Как работают солнечные батареи». Американское химическое общество. https://www.acs.org (открывается в новой вкладке)

«Основы солнечных фотоэлектрических элементов». Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. https://www.energy.gov/eere/solar/solar-photovoltaic-cell-basics (открывается в новой вкладке)

Майкл Дхар — научный редактор и писатель из Чикаго. Он имеет степень магистра биоинформатики в инженерной школе Тандон Нью-Йоркского университета, степень магистра английской литературы в Колумбийском университете и степень бакалавра английского языка в Университете Айовы. Он писал о здоровье и науке для Live Science, Scientific American, Space.com, The Fix, Earth.com и других, а также редактировал для Американской медицинской ассоциации и других организаций.

Как работают солнечные батареи? Объяснение науки о солнечной энергии .

Все мы знаем, что солнечные фотоэлектрические (PV) панели преобразуют солнечный свет в пригодную для использования электроэнергию, но мало кто знает истинную науку, лежащую в основе этого процесса. На этой неделе в блоге мы собираемся углубиться в кропотливую науку о солнечной энергии. Это может показаться сложным, но все сводится к фотогальваническому эффекту; способность материи испускать электроны под действием света.

Прежде чем мы перейдем к молекулярному уровню, давайте взглянем на общий процесс производства электроэнергии:

Основные этапы производства и передачи солнечной энергии

1. Солнечный свет попадает на солнечные панели и создает электрическое поле.
2. Генерируемое электричество течет к краю панели и в токопроводящий провод.
3. Токопроводящий провод подает электричество к инвертору, где оно преобразуется из постоянного тока в переменный, который используется для питания зданий.
4. Другой провод передает электричество переменного тока от инвертора к электрическому щиту на территории (также называемому блоком выключателя), который распределяет электричество по всему зданию по мере необходимости.
5. Любая электроэнергия, которая не требуется при производстве, проходит через коммунальный счетчик и поступает в коммунальную электрическую сеть.
   По мере того, как электричество проходит через счетчик, он заставляет счетчик работать в обратном направлении, засчитывая вашу собственность за избыточную выработку.

Теперь, когда у нас есть общее представление о генерации и потоке солнечной электроэнергии, давайте углубимся в науку, стоящую за солнечной фотоэлектрической панелью.

Наука о солнечных фотоэлектрических элементах

Солнечные фотоэлектрические панели состоят из множества небольших фотоэлектрических элементов, что означает, что они могут преобразовывать солнечный свет в электричество. Эти элементы сделаны из полупроводниковых материалов, чаще всего из кремния, материала, который может проводить электричество, сохраняя при этом электрический дисбаланс, необходимый для создания электрического поля.

Когда солнечный свет попадает на полупроводник в солнечной фотоэлектрической ячейке (шаг 1 в нашем обзоре высокого уровня), энергия света в форме фотонов поглощается, выбивая некоторое количество электронов, которые затем свободно дрейфуют в ячейке.

. Солнечная батарея специально разработана из положительно и отрицательно заряженных полупроводников, соединенных вместе для создания электрического поля (см. изображение слева для визуализации). Это электрическое поле заставляет дрейфующие электроны течь в определенном направлении — к проводящим металлическим пластинам, выстилающим ячейку. Этот поток известен как энергетический поток, и сила тока определяет, сколько электроэнергии может произвести каждая ячейка. Как только свободные электроны попадают на металлические пластины, ток направляется в провода, позволяя электронам течь, как в любом другом источнике генерации электроэнергии (шаг 2 в нашем процессе).

Когда солнечная панель вырабатывает электрический ток, энергия течет по ряду проводов к инвертору (см. шаг 3 выше). В то время как солнечные панели генерируют электричество постоянного тока (DC), большинству потребителей электроэнергии требуется электричество переменного тока (AC) для питания своих зданий. Функция инвертора заключается в преобразовании электричества из постоянного тока в переменный, что делает его доступным для повседневного использования.

После преобразования электроэнергии в пригодное для использования состояние (мощность переменного тока) она передается от инвертора на электрический щит (также называемый блоком выключателя) [шаг 4] и по мере необходимости распределяется по всему зданию. Электричество теперь легко доступно для питания ламп, приборов и других электрических устройств с помощью солнечной энергии.

Любая электроэнергия, которая не потребляется через распределительную коробку, отправляется в коммунальную сеть через счетчик коммунальных услуг (наш последний шаг, как указано выше). Коммунальный счетчик измеряет поток электроэнергии из сети в вашу собственность и наоборот. Когда ваша солнечная энергетическая система производит больше электроэнергии, чем вы используете на месте, этот счетчик фактически работает в обратном направлении, и вам засчитывается избыточная электроэнергия, выработанная в процессе чистого измерения. Когда вы используете больше электроэнергии, чем генерирует ваша солнечная батарея, вы получаете дополнительное электричество из сети через этот счетчик, обеспечивая его нормальную работу.