Разработки последних десятилетий поспособствовали появлению приборов, обладающих способностью аккумулировать и преобразовывать тепло и свет, получаемые от природных источников, в электрический ток. Например, солнечная батарея, как принято называть одну из таких установок, довольно прост.
В его основе лежит закон физики о способности энергии переходить в разные формы. Однако их изготовление требует применения специальных и дорогостоящих материалов.
Что собой представляет устройство и принцип его работы
Полное название системы – фотоэлектрический преобразователь энергии света (ФЭП). Схема устройства солнечной батареи незатейлива. Она состоит из нескольких взаимосвязанных элементов:
1. Основой является кристалл, представляющий собой две пластинки, сделанные из кремния – сверхчувствительного полупроводникового материала. Их складывают вместе, затем на одну из сторон наносится фосфор, который является катодом. Другая поверхность, анод, покрывается слоем бора, который вырабатывает так называемые «отсутствующие» частицы. Принцип работы одного кристалла солнечной батареи основывается на том, что когда лучи света попадают на катод, они трансформируются и превращаются в свободные электроны. Таким образом, создается разность потенциалов между двумя поверхностями пластины. Когда их замыкают с помощью тончайшей медной проволоки, начинает вырабатываться электрический ток. Один такой кристаллик миниатюрного размера может обеспечить функционирование маленького карманного фонаря.
2. Объединенные воедино пластины образуют ФЭП. Принцип работы фотоэлементов, из которых состоит солнечная батарея, основан на преобразовании энергии светового потока (ультрафиолетового излучения) в электричество. Отдельные ФЭП собираются последовательно и параллельно в электрическую цепь, образуя генерирующие устройство. Блоки из нескольких фотоэлементов укладывают на подложку из прочного материала, укрепляют армированной пленкой, накрывают стеклом, которое способно пропускать ультрафиолетовые лучи и заключают в металлический каркас. Мощность прибора напрямую зависит от размеров и количества ФЭП, интенсивности солнечного света, а также его положения. Если установка будет находиться в затененном пространстве, коэффициент ее полезного действия снизится до минимума.
Как работает солнечная батарея
Весь процесс, начиная от момента попадания на фотоэлемент светового потока и до получения конечным потребителем электричества, состоит из нескольких этапов:
- Ток с ФЭП пропускается через преобразователь постоянного напряжения, который выравнивает его частоту.
- После этого он аккумулируется в специальной батарее большой емкости.
- Оттуда подается на инвертор, стабилизирующий напряжение и только затем попадает в электрическую сеть.
Из-за дороговизны кремния стоимость ФЭП очень высока. По этой причине, достаточно часто для нужд систем горячего водоснабжения и обогрева зданий используют другой вариант генерирующего устройства, называемый коллектором. Такие солнечные батареи для отопления дома работают по принципу преобразования света не в электрическую, а тепловую энергию. Они представляют собой панели, в которые вмонтированы трубки, изготовленные из темного металла. По ним циркулирует теплоноситель – химически очищенная вода. Он поглощает тепло от труб, прогревается и поступает в теплообменник, откуда уже распределяется по отопительной системе.
Говоря об эффективности солнечных батарей нужно отметить, что этот показатель у приборов, фотоэлементы которых состоят из кремниевых кристаллов, составляет 20–25%.
Учитывая трудоемкость и дороговизну изготовления таких изделий, применяют другие материалы. Например, делают фотохимические и органические кристаллы. Однако их КПД вдвое меньше, чем у кремниевых и составляет всего 5–10%.
Альтернативой стали более мощные элементы из арсенида галлия. Их эффективность более 30%.
