Тема: "Солнечные батареи"

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ростовской области

«Таганрогский механический колледж»

Доклад

на тему:

Солнечные батареи

Автор: преподаватель

Токарева Клавдия Ивановна

2024 г.

Солнечные батареи

Солнечная энергетика – перспективное направление в развитии альтернативных источников энергии.

Технология продвинулась настолько, что современные батареи способны закрыть потребности в электричестве загородного дома даже в тех широтах, где количество ясных дней весьма ограничено (например, в Ленинградской области).

Принцип действия солнечных батарей основан на возможности взаимодействия солнечного света (это электромагнитное излучение) с веществом. При этом взаимодействии энергия фотонов (световые частицы) передается электронам вещества таким образом энергия света преобразуется в постоянный электрический ток.

Данное явление было открыто в 19 веке, и получило название фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Для его возникновения и поддержания необходимы фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), полупроводники по способу функционирования.

Полупроводник – это материал с избытком или недостатком электронов.

В полупроводниковом элементе имеется два слоя с разной проводимостью.

Слой с лишними электронами выполняет ролькатода,а слой с недостатком электронов – анода.

В большинстве современных изделий роль полупроводников выполняют кремниевые пластины, обладающие необходимыми полупроводниковыми свойствами.

Отдельные фотоэлементы имеют слишком малую мощность для того чтобы питать электроприбор. По этой причине их объединяют в электрическую цепь, которая и формирует то, что называется солнечной батареей (или панелью). Устройство имеет строение:

- Изделие выглядит как панель, в которой заламинированы кремниевые пластины, ответственные за преобразование энергии.

- Сверху панель защищена закаленным стеклом. Для того чтобы повысить эффективность, выбирают марку стекла с низким содержанием оксидов железа. Благодаря этому решению достигается высокая прозрачность, что влияет на эффективность системы.

- Благодаря ламинированною панель получается полностью герметичной, а используемые материалы делают ее стойкой к ветровым и снеговым нагрузкам

Технологии производства и устройства солнечной батареи отличаются, главным образом, методом нанесения кремния. Большинство систем используют модули следующих типов:

Поликристаллического типа

Этот вариант солнечных батарей, подходит в качестве источника энергии для загородного дома.

Версия мобильной модели, которую можно взять в путешествие или поход.

Недостаток технологии – сравнительно низкая (до 18 %) эффективность.

Монокристаллический кремний

Эти панели более надежны в эксплуатации, так как у них выше срок эксплуатации (до 40-50 лет), более стабильное действие работы. Они сохраняют до 70-80 % мощности на протяжении работы.

Панели из монокристаллических элементов демонстрируют эффективность до 22 % (в серии), а использование в космической отрасли – до 38 %.

Плюсы и минусы

Энергия солнца относится к альтернативным, возобновляемым источникам, ее использование считается прогрессивным способом энергопотребления. Ее преимущества описывается:

- ежемесячные платежи за электроэнергию снижаются (даже исчезают). Степень экономии зависит от размеров установленной системы и объема потребления.

- монтаж системы может производится на собственном участке, на это нетребуется получать разрешение на установку оборудования.

-возможность зарабатывать, еслиналадить производствоэлектроэнергии таким образом, чтобыможно было продавать ее государству.

- затраты на обслуживание остаются весьма низкими.

- небольшой вес, беспроблемная эксплуатация, отсутствие шума.

Солнечная энергетика – динамическая отрасль, и эффективность солнечных панелей постоянно повышается. Современные модели могут работать даже при сплошной облачности (выработка при этом снижается).

Разновидности

По способу функционирования солнечные системы делятся на два типа:

Автономные

Работать могут там, где нет возможности подключиться к центральной электросети.

Минус проявляется в периоды длительного отсутствия солнца (например, зимой), когда есть риск остаться без электроэнергии.

Нуждаются в подстраховке дизельным/бензиновым генератором.

Комбинированные

Система работает автономно, на генерации от солнца, но при необходимости переключается на дублирующий источник (электросеть или

тот же дизель).

Источники связаны в сеть с помощью приборов, переключение которых происходит в автоматическом режиме.

Возможна установка устройств:

• Мультикристаллический кремний.

Модули из мультикристаллического кремния просты в изготовлении, поэтому обладают более доступной стоимостью. КПД доходит до 15 %, а служба рассчитана на 25 лет.

• Тонкопленочные батареи.

Они могут функционировать при рассеянном свете (без прямого солнечного света), это является плюсом в туманном климате или в запыленном воздухе. Это дает дополнительно 10-15 % мощности в год (если сравнивать с традиционными кристаллическими системами).

• Солнечные панели из аморфного кремния.

КПД невысокий (6-8 %), но вырабатываемая электроэнергия – одна из самых дешевых.

• Модели на основе CIGS (полупроводниковые).

В состав полупроводника входит медь в смеси с индием, галлием и селеном. В основе изготовления батареи лежит пленочная технология, эффективность достигает 15 %.

• Батареи с использованием теллуида кадмия (CdTe).

Изготавливаются по пленочной технологии, отличаются сверхтонким полупроводниковым слоем. КПД не превышает 11 %, зато генерируемая энергия обходится на 20-30 % дешевле, чем у кремниевых моделей.

Солнечные батареи с рекордным КПД

Солнечные батареи с рекордным КПД является рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, которые разработаны Институтом гелиоэнергетических систем

Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.

Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.

Исследователи изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, - они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.

Процесс выращивания получается сложным, сравнении с традиционном производством кремниевых батарей, но производительность новых батарей удваивается. Расходы на создание системы с концентратором ниже, чем при создании обычных солнечных батарей.

Многослойные фотоэлементы давно используются на космических аппаратах, но теперь на их основе запущены и солнечные станции уже в 18 странах. Это становится возможным благодаря совершенствованию и удешевлению технологии. В итоге новые солнечные станции, будут расти, и налицо тенденция к конкуренции на рынке промышленных солнечных батарей.

На втором месте – солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов,КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия – первый слой фотоэлемента, арсенид галлия – второй, арсенид индия-галлия – третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.

Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, а свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.

Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно ведутся, а также распространяются и на промышленные, энергетические и экологические технологии. К 2013 году был достигнут рекорд в 44,4%.

Элементы обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования продолжаются.

Максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.