Устройство и принцип действия солнечной батареи

Солнечная батарея служит для прямого преобразования энергии солнечного света в электрическую. В настоящее время для производства батарей используют в основном кремний — наиболее распространенный в земной коре химический элемент. Исходным сырьем для изготовления кремния может служить, например, кварцевый песок. Необходимый для солнечных батарей кремний высокой чистоты получают путем применения многоступенчатых процессов обработки.

Наиболее широко применяемые солнечные батареи состоят из кремниевых шайб толщиной 0,3 – 0,4 мм. В каждую из таких шайб (кристалл) целенаправленно внесены примеси, например, бора и фосфора, в результате чего образуются два граничащих между собой слоя с разными электрическими характеристиками (рисунок 8. 2). В результате воздействия на кристалл солнечного света на переходе между слоями образуется электрическое поле. Верхняя и нижняя стороны кристалла снабжены металлическими выводами, с которых снимается электрический ток. Для того чтобы на поверхность кристалла попадало как можно больше света, металлические контакты выполнены в виде гребенки, а сама поверхность снабжена слоем, уменьшающим отражение.

Рисунок 6. 2 – Устройство кристаллической ячейки солнечной батареи

При освещении поверхности полученной таким образом гелиоячейки под действием света образуются свободные электрические заряды в виде электронов и дырок, которые разделяются электрическим полем. В результате этого между металлическими контактами возникает разность потенциалов или напряжение. Если к контактам подключить нагрузку, через нее потечет постоянный электрический ток. В используемых солнечных батареях рассмотренная ячейка обеспечивает напряжение 0,4 – 0,5 В, а величина тока почти пропорциональна световому потоку. Важным параметром солнечной ячейки является ее КПД, который представляет собой отношение снимаемой электрической мощности к световой, попадающей на поверхность кристалла.

Электрическая мощность, снимаемая с одной ячейки, измеряется в ваттах, с модуля — в киловаттах и с большой гелиоустановки — в мегаваттах. Упоминавшаяся базовая величина 1 кВт/м² может быть получена при прямом солнечном облучении. Кристалл ячейки размером 10 х10 см в зависимости от КПД обеспечивает снимаемую электрическую мощность 1,2 – 1,75 Вт. Для получения более высоких мощностей из отдельных ячеек собирают модули, на базе которых создают гелиоустановки (гелиогенераторы), используемые в различных областях техники.

Солнечные батареи работают бесшумно и не изнашиваются, так как не имеют подвижных частей. КПД кремниевых ячеек в течение десятков лет остается неизменным. В настоящее время изготовители модулей дают гарантию на 26 лет. Загрязнение солнечных модулей, устанавливаемых с небольшим углом наклона, практически не играет роли, так как дожди при средней частоте выпадения в достаточной степени смывают оседающую пыль. Благодаря этому батареи долговечны и практически не требуют эксплуатационных расходов. Они также не повреждаются снегом и гололедом.

Солнечные ячейки удобно монтировать в различные приборы, а мощные солнечные модули хорошо интегрируются в конструкции зданий. Для работы солнечных батарей не требуются жидкие или иные вещества, поэтому гелиоустановки полностью безопасны для окружающей среды.

Для получения нужной мощности солнечные элементы соединяются последовательно, параллельно, смешанно и образуют модуль, а модули объединяются в батареи (рисунки 8.2,и 8.3). Солнечные элементы могут быть круглыми (диаметром 100,125 и 150 мм) или квадратными (82х82,100х100 или 125х125 мм). Мощность элементов – 0,9...2,7 Вт.. В зависимости от применений солнечные модули могут иметь разные конструктивные решения и разные выходные мощности. В настоящее время выпускаются три серии солнечных модулей:

а) б) в)

Рисунок 6.3 – Соединение солнечных элементов

а) последовательное соединение; б) параллельное соединение;

в) смешенное соединение.

1) солнечные модули в алюминиевом каркасе, 32 типа диапазон мощностей от 3 до 120 Вт;

2) бескаркасные солнечные модули, 16 типов в диапазоне мощностей от 1,7 до 24 Вт;

3) солнечные модули на металле, 16 типов в диапазоне мощностей от 1,7 до 24 Вт;

Таким образом, преобразование солнечной энергии находит спрос во всем мире, и соответственно ведутся работы по преодолению основных недостатков в преобразовании солнечной энергии. Это понижение цен солнечных элементов, повышение их КПД и разработка новых технологии также эффективное использование в преобразовании солнечной энергии.