XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Ключевые слова: солнечная панель, фотоэлемент, электроэнергия.

Key words: solar panel, photocell, electricity.

Каждый день на поверхность Земли попадает много солнечной энергии, без которой жизнь на нашей планете невозможна. Однако ее еще можно преобразовывать в «полезную» энергию, например, в электрическую. Устройство, позволяющее это сделать, называется солнечная панель. Обычно под термином «солнечная панель» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) – полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. [3]

Конструктивно фотоэлемент состоит из двух пластин полупроводникового материала - кремния. Одна из используемых пластин содержит атомы бора, а вторая атомы мышьяка. При этом верхний слой характеризуется переизбытком электронов (область электронов), а нижняя – их нехваткой (так называемая дырочная область). Таким образом, на границе пластин поддерживается электронно-дырочный переход. В результате попадания на фотоэлемент солнечных лучей (фотонов) происходит освещение пластин и оба слоя взаимодействуют, как электроды обыкновенной батареи – возникает электродвижущая сила. Солнечный луч возбуждает электроны, которые начинают перемещаться из одной пластины в другую. Для снятия электрической энергии на обе поверхности напаивают тонкие слои проводника и подключают к нагрузке. [1]

Рис.1 – Фотоэлемент солнечной панели

В зависимости от вида фотоэлементов, солнечные панели могут быть:

Поликристаллические солнечные батареи, в которых полупроводник производится поликристаллическим способом, этот метод удешевляют солнечную батарею, но при том снижается эффективность её работы. КПД равен 17-19%. Они являются более распространенными вследствие оптимального соотношения КПД и цены

Панели из теллурида кадмия выполняются на базе пленочной технологии. Нанесение полупроводникового слоя осуществляется слоем в несколько сотен микрометров. КПД составляет 11%, но в сравнении с кремниевыми батареями ватт мощности обходится дешевле на десятки процентов;

Панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов. КПД таких фотоэлементов составляет 20-21%. При этом стоимость панели в разы возрастает, но площадь фотоэлементов для получения энергии того же количества снижается. Готовые солнечные батареи, изготовленные поликристаллическим способом, имеют КПД 13-17 %, а с фотоэлементами, изготовленные монокристаллическим способом - КПД 15-18,5%,

Панели из аморфного кремния. Имеют самый низкий КПД 4-6%. Здесь фотоэлементы изготавливают из аморфного кремния.

По конструкции сама солнечная панель достаточно проста:

Корпус - задачей которого является скрепление конструкции.

Самая основная часть – блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то немало важную роль играют аккумуляторы. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, когда напряжение начинает падать, направляет ее в сеть.

Дополнительные устройства. Можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата. Очень важным дополнительным элементом солнечной панели являются диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя. [6]

Солнечные панели успешно используют в промышленных масштабах; в чрезвычайно отдаленных местах, где люди не всегда имеют возможность подключаться к городской сети; в космической отрасли. На сколько эффективно использование солнечных панелей в частном доме?

Современные батареи могут достигать 40% эффективности. Но немало важную роль играют соответствующие условия. Как правило, их лучше устанавливать в районах, где большую часть года составляют солнечные дни. Еще стоит учитывать и географическую широту, на которой расположен ваш дом, так как при приближении к полюсам солнечный луч теряет часть своей мощности. Вместе с тем, если зимой в вашем регионе много солнечных дней, то солнечные панели помогут вам сократить потребление электроэнергии из городской сети. [4]

В западных странах мода на солнечную энергетику продиктована больше заботой об экологии, а также стоимостью электроэнергии. В России ситуация несколько другая. Цены на электричество в стране не так велики, чтобы солнечные батареи были выгодны. Пока же использовать солнечные панели выгодно только там, где нет сетевого электричества, а его проведение стоит слишком дорого или совсем невозможно.

Список литературы:

1. Соколов, М.М. Использование возобновляемых и нетрадиционных источников энергии:  учеб. пособие / М. М. Соколов; Нижегор. гос. архитектур. -  строит. ун-т. –  Н. Новгород: ННГАСУ, 2015. – 116 с.   

2. Р.Р. Авезов, А.Ю. Орлов. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения Ташкент: Фан 1988 г

3. [Электронный ресурс]. URL: http://machinepedia.org/index.php?title =Солнечная_батарея (дата обращения: 18.11.2020)

4. Анахин Н.Ю., Грошев Н.Г., Оноприйчук Д.А. Солнечные батареи – реальность или фантастика? [Электронный ресурс] https://cyberleninka.ru/article/n/solnechnye-batarei-realnost-ili-fantastika/viewer (дата обращения: 18.11.2020)

5. [Электронный ресурс]. URL: https://mywatt.ru/poleznaya-informaciya/vybor-solnechnyh-batarej-kak-izbezhat-oshibok (дата обращения: 18.11.2020)

6. [Электронный ресурс]. URL: https://enerob.ru/vodosnabzhenie/solnechnye-batarei-dlya-doma-i-dachi-vidy-ustrojstvo-printsip-raboty-raschet-kolichestva.html (дата обращения: 18.11.2020)