Преобразование солнечной энергии

Термоэлементы
Рассмотрим цепь, составленную из проводников, изготовленных из разных металлов (см. рисунок). Если места спаев металлов находятся при одной температуре, то тока в цепи не наблюдается. Положение станет совершенно иным, если мы нагреем какой-нибудь из спаев, например, спай a. В этом случае гальванометр показывает наличие в цепи электрического тока, протекающего все время, пока существует разность температур между спаями a и b. Рис. Цепь, состоящая из железного и двух медных проводников и гальванометра Значение силы тока, протекающего в цепи, приблизительно пропорционально разности температур спаев. Направление тока зависит от того, какой из спаев находится при более высокой температуре. Если спай a не нагревать, а охлаждать (поместить, например, в сухой лед), то ток потечёт в обратном направлении. Описанное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком и получило название термоэлектричества, а всякую комбинацию проводников из разных металлов, образующих замкнутую цепь, называют термоэлементом. Важным применением металлических термоэлементов является их использование для измерения температуры. Термоэлементы, используемые для измерения температуры (так называемые термопары), обладают перед обычными жидкостными термометрами рядом преимуществ: термопары можно использовать для измерения как очень высоких (до 2000°С), так и очень низких температур. Более того, термопары дают более высокую точность измерения температуры и гораздо быстрее реагируют на изменение температуры.

Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую

Часто ли мы задумываемся о том, какой путь проходит свет перед тем, как достичь Земли? А между тем Солнце, находящееся примерно в 150 миллионах километров от нас, не только может светить и греть нас своим теплом, оно доставляет световую энергию, которую пытливые умы человечества научились использовать для получения энергии электрической. Как это происходит и при каких условиях? Насколько эффективны современные солнечные панели? Можно ли отказаться от тепловых и атомных электростанций, оказывающих негативное влияние на окружающую среду? Обо всем по порядку.

Наверняка первые попытки использовать солнечный свет для бытовых нужд были предприняты на заре человечества интуитивно. Люди понимали, например, что мокрые вещи на солнце сохнут быстрее, чем в тени, то есть эмпирически оценивали количество солнечной радиации (излучения), приходящей на землю. Архимед использовал параболические зеркала для поражения вражеских кораблей. Параболические зеркала также применяли пастухи и бедуины для приготовления пищи. Что же было дальше?

1838 — французский физик Клод Пулье, используя простейший пирометр, измерил мощность солнечного излучения, приходящего на квадратный метр поверхности Земли. Величина получилась внушительная и близкая к современным оценкам – 1361 Вт/м2.

1839 — Беккерель обнаружил, что свет возможно преобразовать в электричество, а электричество, как известно – самый удобный для использования вид энергии.

1887-1890 — Герц и Столетов изучали явление, названное фотоэффектом. Суть его в том, что при облучении светом и вообще любым излучением вещества могут отдавать электроны – носители электрических зарядов. Это приводит к возникновению ЭДС, что позволяет использовать фотоэффект для получения электрического тока.

1905 – Эйнштейн, используя теорию Макса Планка о квантовой (состоящей из отдельных частиц) природе света, объяснил, как работает фотоэффект, за что потом и получил Нобелевскую премию. Вот так выглядит формула для фотоэффекта, выведенная создателем теории относительности:

Представим себе шар для боулинга, приклеенный к столу клеем. Это ядро атома. Стол представляет собой вещество. Вокруг ядра по окружности двусторонним скотчем приклеим теннисные мячи. Это электроны данного атома. Начнем стрелять по атому шариками для пинг-понга – фотонами, т.е. безмассовыми частицами света. Нетрудно представить, что они не сдвинут с места тяжелый шар для боулинга, т.е. ядро, но в зависимости от своей энергии они или просто оторвут теннисные мячи от скотча (это – красная граница фотоэффекта — ), или не только оторвут их, но и заставят двигаться, т.е. наши электроны приобретут кинетическую энергию Wk. Короче говоря, суть фотоэффекта в том, что фотоны отдают свою энергию на отрыв электронов от ядра (обязательно) и на придание им движения (необязательно, зависит от энергии фотонов). Движение электронов и представляет собой электрический ток — фототок.

Наконец, в 1954 году компания Bell объявила о создании кремниевых солнечных батарей. С тех пор и на земле, и в космосе свет начали использовать для получения электроэнергии с помощью фотоэлементов. Фотоэлементы представляют собой полупроводниковые приборы, использующие явление фотоэффекта. Как он проявляет себя здесь? Если мы будем светить на металл, то электроны вылетят в окружающее пространство и особой пользы не принесут. Фотоэлементы же устроены таким образом, что при освещении электроны скапливаются на противоположных электрических контактах, генерируя постоянное напряжение.

Нужное количество таких фотоэлементов соединяют в группы последовательно. Это делается для увеличения генерируемого напряжения. Далее последовательные группы соединяются параллельно для увеличения выходного тока. Количество элементов в этих группах зависит от требуемого расчетного тока и напряжения. Для увеличения надежности батареи фотоэлементы шунтируются диодами. Вся эта система покрывается стеклом для защиты цепей от внешних воздействий. При нагревании солнечной панели эффективность генерации снижается. Ввиду непостоянства выдаваемой мощности к клеммам солнечных панелей присоединяют контроллер для заряда аккумуляторов, которые питают инвертор для создания переменного напряжения.

КПД современных батарей, представленных на рынке, обычно составляет 15-20 %. В лабораторных условиях получают КПД, близкий к 45 %. Луноходы и марсоходы успешно колесят и бурят грунт на удаленных небесных телах, а космические аппараты бороздят просторы Солнечной системы, питаясь энергией Солнца. На земле же 1.3 кВт мощности солнца приходится в ясный день перпендикулярно одному квадратному метру, и у нас картина получается не очень радужная. Здесь же вспомним о сравнительно высокой цене солнечных элементов, поэтому на сегодняшний день солнечная энергетика все еще остается перспективной отраслью. Вопрос времени, подобно электромобилям, а в свое время – двигателям внутреннего сгорания? Увидим.

Об альтернативной энергетике читайте в этой статье.

>Принцип преобразования солнечной энергии в электричество

Солнце и фотоэлектрические модули (СФЭМ — солнечные батареи).

В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м2. А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м2. Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.

Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (рис. 2), диаметром 125 мм, и имя ему — фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?

Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект. Фотоэффект — это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.

В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = h∙ν(аш ню), где h — постоянная Планка, равная 6,626 × 10-34 Дж∙с, ν — частота фотона. Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который, путем обобщения полученных результатов, установил следующие три закона фотоэффекта:

  1. При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.
  2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.
  3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины, называемой красной границей.

Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законы фотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:

где: h∙ν – энергия фотона, А – работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества. Таким образом, получается, что частица света – фотон — поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию ½m∙v2 и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться. А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила – Э.Д.С.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Возвращаясь из прошлого в наши дни, мы видим, что «сердцем» Солнечной батареи является ФЭП (полупроводниковый фотоэлемент), в котором осуществляется удивительное чудо природы – Вентильный фотоэффект (ВФЭ). Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света. ВФЭ, или фотоэффект в запирающем слое, — явление, при котором электроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник).

Полупроводники — это материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт . Ширина запрещенной зоны — это разность энергий электронов в кристалле полупроводника между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны полупроводника.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Кремнию суждено было стать материалом для солнечной энергетики благодаря его широкому распространению в природе, легкость, подходящая ширина «запрещенной зоны» 1,12 эВ для поглощения энергии солнечного света. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 90% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка).

Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является p-n переход. В упрощенном виде ФЭП можно представить в виде «бутерброда»: он состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода.

Одним из главных свойств p-n перехода является его способность быть энергетическим барьером для носителей тока, то есть пропускать их только в одном направлении. Именно на этом эффекте и базируется генерация электрического тока в солнечных элементах. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разным знаком — электроны (n) и дырки (p). Благодаря своим свойствам p-n переход «разделяет» их, пропуская каждый тип только на «свою» половину, и хаотически двигающиеся в объеме элемента носители заряда оказываются по разные стороны барьера, после чего могут быть переданы во внешнюю цепь для создания напряжения на нагрузке и электрического тока в замкнутой цепи, подключенной к солнечному элементу.

Так же Вы можете ознакомиться с теорией преобразования энергии Ветра в электрическую энергию используя ветрогенераторы.

Солнечная энергия

Людьми солнечная энергия используется в самых разных формах, для отопления и охлаждения помещений, производства питьевой воды дистилляции, дезинфекции, освещения, производства горячей воды и приготовления пищи. Способы использования солнечной энергии ограничены только человеческой изобретательностью.

Солнечные технологии бывают пассивными или активными, в зависимости от способа захвата энергии, которая затем преобразуется, и распространятся.

Активные солнечные технологии

К активным солнечным технологиям относят фотоэлектрические панели и солнечные тепловые коллекторы.

Пассивные солнечные технологии

Пассивные методы включают ориентацию здание к Солнцу, чтобы получать максимальное количество дневного света и тепла, а также выбор материалов с нужными тепловыми свойствами.

Солнечная энергетика сегодня является одним из наиболее перспективных источников альтернативной энергии. В настоящее время уже есть достаточно много конструкций, с помощью которых солнечная энергия преобразуется в электрическую или тепловую.

Широко известен тот факт, что солнце излучает огромное количество энергии. По приблизительным подсчётам авторитетных международных организаций количество энергии, потребляемое сегодня человечеством, колеблется на уровне 245 миллионов баррелей нефтяного эквивалента в сутки, а интенсивность потока солнечного излучения у поверхности Земли, при перерасчёте на всю поверхность, составляет 1,74*Е+17 Вт.

То есть, Солнце отправляет нам энергии приблизительно в 10 500 раз больше, чем мы сегодня потребляем. Солнечная энергия не исчерпаема, поэтому очевидно, что такого количества энергии нам хватит на сотни и даже тысячи лет вперед! С учётом всё большего понимания экономических, экологических и прочих проблем, связанных с использованием традиционных энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ), интерес к солнечной энергетике с каждым днем возрастает.

Солнечная энергия, разделение по направлениям

  • гелиотермальная энергетика, где нагрев теплоносителя для отопления и прочих нужд происходит при помощи прямого преобразования солнечного излучения в тепловую энергию
  • получение электроэнергии с помощью тепловых машин, нагрев рабочего тела в которых, происходит за счет солнечной энергии
  • Солнечная энергия преобразуется в электроэнергию с помощью солнечной панели (солнечной батареи)

Солнечные панели

Под солнечной панелью понимают набор, соединённых между собой фотомодулей. Фотомодуль (далее модуль) в свою очередь состоит из фотоэлементов или фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Из чего состоит солнечная панель

Отдельный фотоэлектрический преобразователь — это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию фотонов (энергию света) в электрическую энергию. Преобразование энергии происходит на уровне атомного строения тела. Наиболее распространённый материал для изготовления ФЭП это кремний. Каждый отдельный ФЭП способен вырабатывать напряжение сравнительно малой величины (около 0,5 В), поэтому отдельные элементы собирают в модули, а модули в панели.

В зависимости от задачи энергоснабжения используются различные схемы коммутации солнечных панелей. Например, для зарядки мобильного телефона одна, для работы автономного освещения другая, для работы электросети здания и работы с «зелёным тарифом» третья и т.д. («зелёный тариф» — это специальный тариф, по которому государством закупается электрическая энергия, произведенная на объектах электроэнергетики, которые используют альтернативные источники энергии).

В результате преобразования энергии света солнечная панель на своём выходе генерирует постоянное электрическое напряжение для работы в системах с номинальным напряжением, как правило, 12, 24 или 48 вольт.

Преобразование постоянного напряжения в переменное

Хотя внутренние электронные схемы многих потребителей электроэнергии (телевизор, компьютер, музыкальный центр и другие) работают на постоянном напряжении (и для работы имеют встроенные блоки питания), всё же на сегодняшний день, в обычной электрической сети переменное напряжение, и все приборы адаптированы для питания от сети с переменным напряжением. 220 вольт для однофазной сети, либо 380 вольт для трёх фазной сети. Поэтому одних солнечных панелей, с постоянным напряжением, для полноценного обеспечения электроэнергией не достаточно. Дополнительно необходим инвертор — электронное устройство, которое преобразовывает постоянное напряжение в переменное.

Солнечная панель вырабатывает электроэнергию при попадании не её поверхность света, то есть, в тёмное время суток солнечная панель отдыхает. Но, как правило, нам необходима электроэнергия круглые сутки, поэтому в систему солнечных панелей вводиться блок аккумуляторных батарей. По своему назначению он выполняет ту же функцию, что и аккумулятор в автомобиле или батарейка в мобильном телефоне, накапливает электроэнергию в момент её излишка, и отдает в момент её нехватки.

Заряд аккумуляторной батареи от солнечной панели, требует соблюдения определённого алгоритма. Для управления процессом зарядки аккумуляторов, используется электронное устройство – контроллер заряда.

Типовая схема подключения солнечных панелей

Для уменьшения капитальных вложений в систему на солнечных панелях, необходимо использовать электрооборудование с высокой энергоэффективностью. При выборе бытовых электроприборов необходимо обращать особое внимание на класс энергоэффективности. Например, для освещения можно использовать светодиодные лампы, которые в 10 раз эффективнее ламп накаливания, и более чем в 2 раза эффективнее энергосберегающих люминесцентных ламп.

Схема подключения солнечных панелей

Максимальную эффективность солнечные панели имеют при падении солнечных лучей перпендикулярно к поверхности модуля. Так как солнце все время перемещается по небу, для эффективного использования панели возможно применение устройств слежения и поворота панели к солнцу.

При установке солнечных панелей, необходимо знать основные характеристики ФЭП и особенности работы системы на солнечных панелях. В зависимости от материала и технологии изготовления, ФЭП отличаются коэффициентом полезного действия (КПД), устойчивостью к повышению температуры, габаритами, и конечно же стоимостью.

Сегодня оптимальными для применения и самыми распространёнными являются ФЭП из моно- и поли- кристаллического кремния, хотя есть и другие варианты решения (панели на аморфном кремнии, тонкоплёночные панели, нанокристаллические панели и другие).

Моно или поликристалл

Применительно к солнечной панели, КПД — это параметр, который показывает какая часть энергии светового потока преобразовывается в электрическую. Этот параметр будет влиять на суммарную площадь панелей, и как следствие на площадь, которая будет покрыта панелями.

Например, если КПД солнечной панели составляет 12 % и освещается световым потоком интенсивностью 1100 Вт/м2, то выходная мощность этой панели составит 1100 Вт/м2 * 0,12 = 132 Вт с 1 м2 площади солнечной панели.

Устойчивость ФЭП к повышенной температуре подразумевает сохранение солнечной панелью выходных характеристик (напряжения, тока) с увеличением температуры. Рабочие параметры панели рассчитываются при температуре окружающей среды 25°С, с увеличением этого параметра электрические характеристики и срок службы ФЭП изменяются. И если мы говорим о продолжительном сроке эксплуатации в условиях с реальной температурой выше, чем 25°С, то этим параметром пренебрегать нельзя.

К особенностям работы системы также относится место и способ установки панелей. Эти детали влияют на количество оборудования и интенсивность солнечного света для конкретного модуля. Кроме того, количество и модель устройств в системе солнечного электроснабжения, зависит от назначения объекта и потребителя, которому необходимо обеспечить электроснабжение. Например, могут быть варианты: жилой дом, производственный объект, сельскохозяйственный объект, объекты, требующие энергии больше в дневное или ночное время.

С учётом всех перечисленных факторов необходимо иметь в виду, что установка и расчёт системы солнечных панелей должна проводиться специалистом.

Основные преимущества солнечных панелей

  • Высокая надёжность. Конструкция на солнечных панелях не имеет механических, движущихся частей, вследствие чего имеет высокий запас надёжности, что подтверждается использованием в местах, где ремонт практически не возможен – космических системах, и пр.
  • Минимальные эксплуатационные расходы. После монтажа солнечные панели, не требуют большого внимания, регламентных работ и сервисного обслуживания. Это позволяет использовать панели в труднодоступных местах, где обслуживание либо дорого, либо проводить нельзя.
  • Экологическая чистота. При работе солнечных панелей нет никаких вредных выбросов и отходов. Солнечные панели работаю бесшумно.
  • Срок эксплуатации. На сегодняшний день, срок службы солнечных панелей доведён до 20-25 лет.
  • Простота установки. Монтаж системы достаточно прост. Изменение выходной мощности достигается простым добавлением или демонтажем модулей. Другими словами, есть возможность постепенного увеличения мощности по мере необходимости и наличия финансовой возможности.

По известным причинам, интерес к солнечным панелям растёт с каждым годом, отсюда и старание производителей обеспечить рынок. Как отмечают аналитики, сегодня объёмы производства не отвечают потребностям, и хотя производственные мощности увеличиваются с каждым годом, стоимость солнечной панели экономически интересна пока не во всех странах. Производители стремятся оптимизировать стоимость затрат на изготовление солнечных панелей, а возрастающий спрос способствует сближению процессов производства и покупки.

На практике, при определении оценочной стоимости солнечной панели, говорят о стоимости за 1 Ватт электрической мощности. Понимая, что если 1 Ватт стоит условно 2 USD, то панель мощность 10 Ватт стоит около 20 USD, а панель мощностью 100 Ватт около 200 USD. Стоимость солнечной панели постоянно уменьшается, с динамикой 50 USD/Ватт в 70-е годы, до 1,5 USD/Ватт в наши дни. Очевидно, что стоимость солнечной панели будет продолжать уменьшаться.

Так как вся система на солнечных панелях состоит не только из самих панелей, а еще содержит устройства, упомянутые выше, то и стоимость всей установки выше.

Так как с уменьшением мощности потребителей, уменьшается мощность и стоимость системы электроснабжения на солнечных панелях, эффективно рассматривать работу солнечных панелей с энергосберегающим оборудованием, например применять светодиодные лампы для освещения, тепловые насосы для отопления и индукционные печи для приготовления пищи.

Развитие солнечной энергетики

Как уже отмечалась, цифры отражающие сегодня характеристики развития солнечной энергетики стабильно растут. Солнечная панель давно перестала быть термином узкого круга технических специалистов и сегодня о солнечной энергетике не только говорят, но и получают прибыль от реализованных проектов.

В сентябре 2008 года было завершено строительство солнечной электростанции расположенной в Испанском муниципалитете Ольмедилья-де-Аларкон. Пиковая мощность электростанции Olmedilla достигает 60 МВт.


Солнечная станция Olmedilla

В Германии эксплуатируется солнечная станция Waldpolenz, которая находится в Саксонии, в районе городов Брандис и Бенневиц. Пиковая мощность этой станции составляет 40 МВт, благодаря чему она входит в число крупнейших солнечных электростанций мира.


Солнечная станция Waldpolenz

Неожиданно для многих, хорошими новостями начала радовать и Украина. Согласно данным ЕБРР, Украина уже в ближайшее время может занять место лидера среди экологически чистых экономик Европы, особенно в отношении рынка солнечной энергии, который является одним из наиболее перспективных рынков возобновляемых источников энергии.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *