В этой статье я расскажу вам о солнечных батареях – их принципе работы, преимуществах и ограничениях, а также о роли солнечных батарей в системе возобновляемых источников энергии.
Солнечные батареи: принцип работы, преимущества и применение в различных областях обновлено: 15 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Добро пожаловать на лекцию по электротехнике! Сегодня мы поговорим о солнечных батареях и их роли в возобновляемых источниках энергии. Солнечные батареи – это устройства, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Они становятся все более популярными в современном мире, так как предлагают экологически чистый и устойчивый источник энергии. В этой лекции мы рассмотрим принцип работы солнечных батарей, их преимущества и ограничения, а также их применение в различных областях. Давайте начнем!
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Какие виды солнечных батарей существуют?
Есть несколько классификационных признаков, по которым все солнечные панели делятся на разные виды:
- Тип устройств.
- Материал изготовления фотоэлектрического слоя.
По типу устройства выделяют два вида: гибкие и жесткие. Первый тип отличается своей пластичностью. Такую панель можно легко скрутить в трубочку, ничего не повредив. Твердая панель не меняет своей формы. По материалу изготовления есть три вида: аморфные, поликристаллические, монокристаллические.
Аморфные батареи могут быть гибкими. Они непривередливы к месту установки, но КПД такого устройства очень низкий. Он составляет не более шести процентов. Поликристаллические изделия отличаются низкой ценой. Однако они более эффективны в пасмурную погоду. В очень жаркую погоду их выработка снижается чуть больше чем у монокристаллических модулей.
Если необходим максимальный эффект от электростанции, то следует отдавать предпочтение панелям с монокристаллическими элементами. Уровень их КПД достигает двадцати пяти процентов. Монокристаллические панели являются более дорогими, так как монокристаллический кремний при производстве требует больших энерго и временных затрат.
Сфера применения солнечных батарей
С разработкой новых технологий и развитием концепции питания от солнечной энергии сфера применения панелей стала довольно широкой. Раньше такие устройства обычно устанавливались на небольших частных домах или дачах. Они применялись исключительно в бытовых нуждах, так как потребляемая мощность была минимальная. Сейчас же есть мощнейшие электростанции, показывающие высокую эффективность работы. По этой причине сфера применения панелей стала больше.
КАК РАБОТАЕТ СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ | АНИМАЦИЯ | ПРОСТОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ
Интересный факт! Энергии, которую выделает Солнце за одну секунду, может хватить для обеспечения электричеством всего человечества на пятьсот тысяч лет.
Солнечные батареи стали активно применяться на промышленных и коммерческих объектах, позволяя значительно экономить на их энергоснабжении. Также панели устанавливают на сельскохозяйственных предприятиях, на фермах, военно-космических объектах. Менее мощные панели применяются для изготовления различных приспособлений для быта: фонариков, калькуляторов, зарядных устройств, др. Они служат источником энергии там, где нет возможности подключиться к центральной сети. Такие приспособления пользуются большим спросом у охотников, рыбаков, любителей походов.
Важно! Солнечные электростанции современного образца будут эффективны везде: как в доме, так и на большом промышленном объекте. Однако для этого они должны быть правильно подобраны по необходимой мощности. Расчет данного параметра должен осуществляться специалистом.
Альтернативная энергетика: как работают солнечные панели
Солнечные батареи красуются на крышах и придорожных знаках и помогают обеспечивать питание космических кораблей. Но как именно работают солнечные панели?
Полина Колесо
GettyImages
За альтернативными источниками энергии — будущее!
Проще говоря, солнечная панель работает, позволяя фотонам или частицам света выбивать электроны из атомов, генерируя поток электричества, согласно Университету Миннесоты в Дулуте. 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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Каждый фотоэлемент представляет собой бутерброд, состоящий из двух пластин полупроводникового материала. Фотоэлектрические элементы обычно изготавливаются из кремния — того же материала, который используется в микроэлектронике.
Для работы фотогальваническим элементам необходимо создать электрическое поле. Подобно магнитному полю, которое возникает из-за противоположных полюсов, электрическое поле возникает, когда противоположные заряды разделены. Чтобы получить это поле, производители «припаивают» кремний другими материалами, придавая каждому кусочку «бутерброда» положительный или отрицательный электрический заряд.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
В частности, по данным Американского химического общества, они вносят фосфор в верхний слой кремния, 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 выталкивает этот электрон из кремниевого соединения.
Что проводит эту энергию?
Несколько других компонентов ячейки превращают эти электроны в полезную энергию. По данным Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE), металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и передают их по проводам. В этот момент электроны могут течь, как любой другой источник электричества.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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, эти элементы настолько легкие, что могут усидеть на мыльном пузыре, и при этом 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 технику или даже в носимую электронику.
Существуют и другие типы технологий солнечной энергетики, в том числе солнечная тепловая и концентрированная солнечная энергия, которые работают иначе, чем фотоэлектрические солнечные панели, но все они используют энергию солнечного света либо для выработки электричества, либо для нагрева воды или воздуха.
Области применения
С каждым годом сфера применения солнечных батарей становится всё шире. Устройства активно используются в сельском хозяйстве, промышленности, военно-космической области, медицине, дорожном строительстве, автомобилестроении, авиации и быту.
Вырабатываемая электроэнергия используется для:
- Освещения жилых и нежилых объектов, улиц, придомовых территорий.
- Обеспечения энергией медицинского и телекоммуникационного оборудования.
- Накопления энергии и подзарядки портативных устройств и микроэлектроники.
- Энергообеспечения зданий.
Преимущества и нюансы солнечных батарей
- Бесшумная работа.
- Отсутствие выбросов парниковых газов и образования отходов.
- Неисчерпаемый запас энергии.
- Минимальные затраты при эксплуатации.
- Отсутствие технического обслуживания.
- Длительный срок службы без ухудшения эксплуатационных характеристик.
- Зависимость от погоды.
- Относительно высокая цена.
- Необходимость специальных навыков при монтаже.
Область применения солнечных батарей
Благодаря развитию технологий энергия солнца сегодня активно применяется для снабжения спутников, космических станций, исследовательских зондов и других объектов. На земле солнечная энергия находит применение в строительстве электростанций, призванных обеспечить независимое электроснабжение:
- загородных домов, которые расположены вдали от линий электропередач,
- зданий коммерческого, производственного назначения, потребляющих различные объемы энергии.
- Поликристаллические
Основа батареи – полупроводниковый элемент, имеющий поликристаллическую структуру. Для производства таких батарей используется сырье, оставшееся после изготовления монокристаллических батарей.
КПД варьируется от 12 до 18%. Поликристалл станет хорошим решением, если ваша цель – получить энергию лишь для обеспечения работы небольших приборов и устройств.
- Монокристаллические
Для производства батарей из чистого кремния выращивается кристалл по методу Чохральского. Далее кристалл нарезается на тонкие пластины, из которых собирается батарея.
КПД варьируется от 18 до 24%. Монокристалл окупается быстрее. Этот вариант предпочтительнее при небольшой площади крыши.
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 поскольку их химический состав нестабилен, они испытывают характерный спад производства энергии в течение первых нескольких лет эксплуатации. В наиболее популярных перовскитах также часто используется свинец, а как известно — добыча и переработка свинца представляют свою опасность. Олово также используют, но у него меньшая эффективность.
Фотореактивные пигменты: «искусственный фотосинтез»
Еще одна интересная технология использования солнечной энергии — это солнечные элементы, сенсибилизированные красителем. В этих гибких ячейках в качестве верхнего слоя используется фотореактивный краситель, смешанный с полупроводниковыми наночастицами. Обычно эта смесь плавает на жидком электролите, который одновременно действует как слой р-типа на кристаллической ячейке и собственный электрод.
Подобно перовскитам, эти гибкие клетки проводят свои реакции по всему объему, а не по плоскости. Это побудило некоторых экспертов назвать красящие клетки «искусственным фотосинтезом». Но перовскиты — это кристаллы, и тот же жидкий электролит, который делает солнечные элементы с красителями такими гибкими, делает их уязвимыми к химической деградации и перепадам температур.
Развитие солнечной энергетики
В настоящее время существует два основных способа использования солнечной энергии для выработки электроэнергии в масштабах, подходящих для использования в качестве коммунального предприятия. Вы, вероятно, видели стандартную солнечную ферму. Эти объекты обеспечивают энергию путем установки рядов солнечных панелей на земле, обычно не пригодной для других целей — хотя в последнее время ученые исследуют способы использования затененной земли под панелями для различных целей, например, для хранения энергии в виде батарей. Одно интересное предложение включает в себя выращивание низкорослых тенелюбивых растений, таких как кофе и какао.
Солнечные панели в обычном поле с цветами.
Проще говоря, солнечная энергия работает только тогда, когда есть солнечный свет. Это означает, что банки питания и диверсифицированное производство энергии являются довольно важными частями производства солнечной энергии в коммунальном масштабе: очень важно хранить любую дополнительную энергию, чтобы использовать, когда не светит солнце. Tesla, в дополнение к своим солнечным панелям и солнечным черепицам, предлагает резервную батарею под названием Megapack. Массивы из десятков или сотен таких аккумуляторов уже работают, что облегчает использование солнечной энергии и других возобновляемых источников энергии.
Еще один способ увеличить масштабы использования солнечной энергии — это концентрирующие солнечные электростанции, такие как Ivanpah в Калифорнии. Вместо производства энергии за счет фотоэлектрического эффекта в этих системах используются зеркала или линзы для концентрации солнечной энергии в (относительно) сфокусированный луч, направленный на центральную сборную башню. Там солнечная энергия приводит в действие тепловую машину или паровую турбину, которая преобразует тепло в электричество.
Концентрирующая солнечная тепловая электростанция в городе Цзицюань, Китай.
рекомендации
Ищем PHP-программиста для апгрейда конфы
Сейчас многие страны наращивают производство солнечных панелей и как бы мы не относились к США из-за геополитической ситуации, у них этот процесс идет быстрее всего. Известно, что с июня 2021 года по июнь 2022 года в Соединенных Штатах было введено в эксплуатацию 17,6 ГВт новых солнечных мощностей коммунального масштаба. Таким образом, общее количество солнечных мощностей в США составило около 66 ГВт. В прошлом году между электростанциями и распределенными солнечными установками солнечная энергия обеспечивала 12% электроэнергии Америки. Хотя это всего лишь небольшая часть от общего объема производства электроэнергии в этой стране, но они ежегодно добавляют новые мощности. По мере того, как возобновляемые источники энергии заменяют старые невозобновляемые электростанции, солнечная энергетика обязательно найдет свое место на солнце.
