اصل عملکرد پانل های خورشیدی. پنل های خورشیدی چگونه کار می کنند و چگونه کار می کنند

در سال های اخیر، به اصطلاح "انرژی جایگزین" به طور فزاینده ای محبوب شده است. توجه ویژه ای به استفاده از تابش خورشیدی می شود. این کاملا طبیعی است، زیرا اگر عنصری ایجاد کنید که بتواند پرتوهای نور را به الکتریسیته تبدیل کند، می توانید یک منبع انرژی تمام نشدنی رایگان دریافت کنید. و چنین عنصری ایجاد شد. آن را "فوتوسل خورشیدی" یا "باتری خورشیدی" می نامند و نحوه عملکرد باتری خورشیدی بسیار ساده است.

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد

نکته اصلی این است که فتوولتائیک ها را با کلکتورهای خورشیدی اشتباه نگیرید (هر دو اغلب به عنوان "پانل های خورشیدی" نامیده می شوند). اگر اصل کار کلکتورها بر پایه گرم کردن مایع خنک کننده باشد، فتوسل ها مستقیماً برق تولید می کنند. کار آنها بر اساس اثر فوتوالکتریک است که شامل تولید جریان تحت تأثیر نور خورشید در مواد نیمه هادی است.

نیمه هادی ها به موادی نیز گفته می شود که اتم های آنها یا دارای تعداد زیادی الکترون (نوع n) هستند یا برعکس فاقد آنها هستند (نوع p). و آن نواحی از ساختار عناصر p که در آن الکترون‌ها به طور بالقوه می‌توانستند، «حفره» نامیده می‌شوند. بر این اساس، یک فتوسل مبتنی بر نیمه هادی از دو لایه تشکیل شده است انواع متفاوترسانایی

پنل های خورشیدی چگونه با چنین ساختاری کار می کنند؟ به روش زیر. لایه داخلی عنصر از یک نیمه هادی p و لایه بیرونی که بسیار نازک تر است از یک نیمه هادی n ساخته شده است. در مرز لایه ها، به اصطلاح " منطقه p-nانتقال» به دلیل تشکیل بارهای مثبت توده در لایه n و بارهای منفی در لایه p تشکیل شده است.

در این حالت، یک مانع انرژی خاص در منطقه انتقال ایجاد می شود که ناشی از تفاوت در پتانسیل بارها است. از نفوذ حامل های شارژ اصلی جلوگیری می کند، اما آزادانه از حامل های جزئی و در جهت مخالف عبور می کند. تحت تأثیر نور خورشید، بخشی از فوتون ها توسط سطح عنصر جذب می شود و جفت های "حفره-الکترون" اضافی تولید می کند. یعنی الکترون ها و حفره ها از یک نیمه هادی به نیمه هادی دیگر حرکت می کنند و بار منفی یا مثبت اضافی را به آنها منتقل می کنند. در این حالت اختلاف پتانسیل اولیه بین لایه های n و p کاهش می یابد و جریان الکتریکی در مدار خارجی ایجاد می شود.

ویژگی های ساختار

بسیاری از فتوسل های مدرن تنها یک دارند اتصال p-n. در این مورد، حامل‌های بار آزادانه تنها توسط فوتون‌هایی تولید می‌شوند که انرژی آنها بزرگ‌تر یا برابر با عرض "منطقه ممنوعه" در مرز انتقال است. این بدان معناست که فوتون‌های با مقدار انرژی کمتر به سادگی استفاده نمی‌شوند، که به نوبه خود کارایی سلول را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. برای غلبه بر این محدودیت، ساختارهای نوری چند لایه (اغلب چهار لایه) ایجاد شد.

آنها امکان استفاده از بخش بسیار بیشتری از طیف خورشیدی و داشتن تعداد بیشتری را فراهم می کنند عملکرد بالا. علاوه بر این، فتوسل‌ها به گونه‌ای چیده شده‌اند که پرتوها ابتدا روی انتقال با وسیع‌ترین شکاف نواری می‌افتند. در همان زمان، فوتون‌های «پر انرژی» بیشتری جذب می‌شوند، در حالی که فوتون‌های با ذخیره انرژی کمتر عمیق‌تر می‌شوند و بقیه عناصر را تحریک می‌کنند.

پنل های خورشیدی چیست؟

سلول های خورشیدی، که اصل عملکرد آنها بر اساس اثر فوتوالکتریک است، برای مدت طولانی ایجاد شده اند. مشکل اصلی در تولید آنها در انتخاب موادی است که قادر به تولید جریان به اندازه کافی قدرتمند هستند. اولین آزمایش‌ها با سلول‌های سلنیوم انجام شد، اما کارایی آنها بسیار کم بود (حدود 1٪). امروزه سیلیکون به طور عمده در فتوسل ها استفاده می شود، بهره وری این دستگاه ها حدود 22 درصد است. علاوه بر این، انواع جدیدی از سلول ها (به عنوان مثال، با استفاده از گالیم یا آرسنید ایندیم) با کارایی بالاتر به طور مداوم در حال توسعه هستند. حداکثر راندمان پنل های خورشیدی امروزه 44.7 درصد است.

اما چنین عناصری بسیار گران هستند و تاکنون فقط در شرایط آزمایشگاهی تولید می شوند. سلول های مبتنی بر سیلیکون تک کریستالی یا پلی کریستالی و همچنین عناصر لایه نازک به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. باتری های نوری تک کریستال گران تر هستند، اما عملکرد بالاتری دارند، در حالی که پلی کریستال ها ارزان تر هستند، اما به دلیل ساختار ناهمگن شان، کارایی کمتری دارند. در تولید سلول‌های لایه نازک، از کریستال‌ها استفاده نمی‌شود، بلکه از لایه‌های سیلیکونی که روی یک بستر انعطاف‌پذیر قرار گرفته‌اند، استفاده می‌شود.

ما اغلب در مورد آن می نویسیم انواع مختلفانرژی جایگزین از جمله انرژی خورشیدی این مقاله مجموعه ای از مقالات در مورد اصول کار را آغاز می کند دستگاه های مختلفکار روی انرژی های تجدیدپذیر و اولین چیزی که در نظر گرفته خواهد شد پانل های خورشیدی است. انرژی خورشیدی در اخیرادر همه جا استفاده می شود: نور طبیعیاتاق ها، آب گرمایش، خشک کردن و گاهی اوقات حتی در پخت و پز. با این حال، بیشترین استفاده مهمانرژی خورشید شاید تولید الکتریسیته باشد. و عنصر اصلی چنین نسلی باتری خورشیدی است!

ساختار پنل های خورشیدی

باتری خورشیدی متشکل از سلول های خورشیدی است که به صورت سری و موازی به هم متصل شده اند. تمام فتوسل ها بر روی یک قاب ساخته شده از مواد غیر رسانا قرار دارند. این پیکربندی به شما امکان می دهد پانل های خورشیدی را با ویژگی های مورد نیاز (جریان و ولتاژ) جمع آوری کنید. علاوه بر این، این امکان را فراهم می کند که فتوسل های شکست خورده را با یک جایگزین ساده جایگزین کنید.

اصل عملیات

به طور کلی، این روش تولید برق باید بیشترین بازدهی را داشته باشد، زیرا یک مرحله ای است. در مقایسه با فناوری دیگری برای تبدیل انرژی خورشیدی از طریق انتقال ترمودینامیکی (پرتوها -> گرمایش آب -> بخار -> چرخش توربین -> الکتریسیته)، انرژی کمتری در انتقال هدر می رود.

ساختار فتوسل

یک فتوسل مبتنی بر نیمه هادی از دو لایه با رسانایی متفاوت تشکیل شده است. به لایه ها با طرف های مختلفکنتاکت های لحیم کاری شده که برای اتصال به مدار خارجی استفاده می شوند. نقش کاتد توسط یک لایه با رسانایی n (رسانایی الکترونیکی)، نقش آند توسط لایه p (رسانایی سوراخ) ایفا می شود.

جریان در لایه n با حرکت الکترون ها ایجاد می شود که با برخورد نور به آنها به دلیل اثر فوتوالکتریک "از بین می روند". جریان در لایه p با "حرکت سوراخ ها" ایجاد می شود. "حفره" اتمی است که به ترتیب یک الکترون از دست داده است، پرش الکترون ها از یک "حفره" به یک "حفره" باعث ایجاد "حرکت" حفره ها می شود، اگرچه در فضا خود "حفره ها" قطعا حرکت نمی کنند.

در محل اتصال لایه های با رسانایی n- و p، یک اتصال p-n ایجاد می شود. به نظر می رسد نوعی دیود است که می تواند به دلیل ورود پرتوهای نور اختلاف پتانسیل ایجاد کند.

مکانیسم عمل فیزیکی

تفاوت پتانسیل (و بر این اساس، EMF) که یک فتوسل می تواند ایجاد کند به عوامل زیادی بستگی دارد: شدت تابش خورشیدی، مساحت فتوسل، کارایی ساختار، دما (هنگامی که گرم می شود، رسانایی کاهش می یابد).

فتوسل ها از چه چیزی ساخته شده اند؟

اولین فتوسل در جهان در سال 1883 در آزمایشگاه چارلز فریتز ظاهر شد. از سلنیوم با روکش طلا ساخته شده بود. افسوس، چنین مجموعه ای از مواد نتایج کم را نشان داد - حدود 1٪ راندمان.

انقلاب در استفاده از سلول های خورشیدی زمانی رخ داد که اولین سلول سیلیکونی در لابراتوار Bell Telephone ایجاد شد. این شرکت به منبع برق برای مبادلات تلفنی نیاز داشت و می توان گفت اولین شرکتی بود که از آن استفاده کرد منبع جایگزیندر مورد انرژی خورشیدی

سیلیکون هنوز ماده اصلی برای تولید سلول های خورشیدی است. به طور کلی، سیلیکون (سیلیسیم، سیلیکون) دومین عنصر رایج روی زمین است، ذخایر آن بسیار زیاد است. با این حال، در استفاده صنعتی آن یکی وجود دارد یک مشکل بزرگ- تمیز کردن آن این فرآیند بسیار زمان بر و پرهزینه است، بنابراین سیلیکون خالص گران است. اکنون جستجو برای آنالوگ هایی در حال انجام است که از نظر کارایی کمتر از سیلیکون نباشند. ترکیبات مس، ایندیم، سلنیوم، گالیم و کادمیوم و همچنین سلول های خورشیدی آلی امیدوارکننده در نظر گرفته می شوند.

پانل های خورشیدی (مجموعه ها)

با این حال، اختلاف پتانسیل ایجاد شده توسط یک فتوسل برای کاربردهای صنعتی ناچیز است. برای اینکه بتوان از سلول های خورشیدی برای تامین انرژی دستگاه ها استفاده کرد، آنها به یکدیگر متصل می شوند. این منجر به تولید پنل های خورشیدی می شود مجموعه های خورشیدی، ماژول های خورشیدی). علاوه بر این، فتوسل ها با لایه های محافظ مختلفی از شیشه، پلاستیک و فیلم های مختلف پوشیده شده اند. این به منظور محافظت از عنصر شکننده انجام می شود.

عملکرد اصلی باتری خورشیدیاوج توان است که بر حسب وات (W, W) بیان می شود. این ویژگی نشان می دهد توان خروجیباتری ها در شرایط بهینه: تابش خورشیدی 1 کیلو وات بر متر مربع، دمای محیط 25 درجه سانتیگراد، طیف خورشیدی 45 درجه عرض (AM1.5). در شرایط عادی، دستیابی به چنین شاخص هایی بسیار نادر است، روشنایی کمتر است و ماژول بالاتر گرم می شود (تا 60-70 درجه).

با اتصال فتوسل ها به صورت سری، اختلاف پتانسیل را افزایش می دهیم و به صورت موازی متصل می شویم - جریان. بنابراین، با ترکیب اتصالات، می توان به پارامترهای مورد نیاز برای جریان و ولتاژ و در نتیجه برای قدرت دست یافت. علاوه بر این، اتصال سری یا موازی نه تنها فتوسل ها در یک باتری خورشیدی، بلکه همچنین باتری های خورشیدی به طور کلی امکان پذیر است.

باتری خورشیدی: دستگاه و اصل کار

همین اواخر، زمانی که ما هنوز در مدرسه بودیم، یک پنل خورشیدی برای تولید برق چیزی فوق العاده به نظر می رسید. به نظر ما این بود که آنها فقط در سفینه های فضایی قابل استفاده هستند. اما 20-25 سال گذشته است و باتری های خورشیدی نه تنها در ساعت ها و ماشین حساب ها ظاهر شده اند، بلکه در حال حاضر قادر به تامین برق خانه های خصوصی و کلبه ها هستند. و نیروگاه های خورشیدی مدرن می توانند برق شهرهای کوچک را تامین کنند. پنل های خورشیدی به طور گسترده در کشورهای اروپایی، ایالات متحده آمریکا، اسرائیل و سایر مناطق با تابش خورشیدی بالا استفاده می شود. و استفاده از آنها در حال حاضر باعث صرفه جویی قابل توجهی در تامین برق و آب گرم می شود.

انرژی خورشیدی می تواند به گرما و برق تبدیل شود. انسان اولین قدم ها را در استفاده از انرژی خورشید در جهت به دست آوردن گرما برداشت. می توان گفت که در این مورد هیچ تغییری وجود ندارد. اصل کار ساده است. این شامل جمع آوری گرمای خورشیدی است. بنابراین، دستگاه هایی برای این کار کلکتور خورشیدی نامیده می شود. اصل عملکرد چنین تاسیساتی جمع آوری گرما با استفاده از جاذب و انتقال آن به خنک کننده است. دومی آب یا هوا است. چنین تاسیساتی اغلب برای گرمایش و تامین آب گرم خانه های خصوصی استفاده می شود. دومین مورد استفاده تبدیل آن به برق است.

گیاهان روی سیاره ما میلیون ها سال است که انرژی خورشیدی پیوندهای شیمیایی را تبدیل می کنند. این فرآیند که فتوسنتز نامیده می شود، گلوکز تولید می کند. اصل فتوسنتز از دیرباز برای انسان شناخته شده است. اطلاعات بیشتر در مورد آن را در لینک داده شده بخوانید.

در این مقاله در مورد تولید برق با استفاده از پنل های خورشیدی صحبت خواهیم کرد. برای این کار از سلول های فتوولتائیک استفاده می شود. اینها نیمه هادی های مبتنی بر سیلیکون هستند که هنگام قرار گرفتن در معرض نور جریان الکتریکی ثابتی تولید می کنند. ترکیبات سیلیکونی با کادمیوم، مس و ایندیم به عنوان مواد برای فتوسل استفاده می شود. علاوه بر این، آنها ممکن است در تکنولوژی ساخت متفاوت باشند.

• تک کریستالی؛
• پلی کریستال؛
• بی شکل.

پانل های فتوولتائیک ساخته شده از تک کریستال های سیلیکونی کارآمدترین و دارای راندمان بالایی هستند. سلول های فتوولتائیک سیلیکونی پلی کریستالی ارزان تر هستند و کمترین هزینه را برای هر وات برق دارند. همچنین سلول های فتوولتائیک مبتنی بر سیلیکون آمورف وجود دارد. آنها از آنها ساخته شده اند. آنها از سیلیکون آمورف تولید می شوند. تولید چنین عناصری آسانتر از مونو و پلی کریستال است. در نتیجه، قیمت پایین‌تر است، اما بازده بسیار مطلوب است (5-6٪).علاوه بر این، پانل های سیلیکونی آمورف عمر مفید کمتری نسبت به دو نوع قبلی دارند. برای افزایش کارایی عناصر، مس، سلنیوم، گالیم و ایندیم به سیلیکون اضافه می شود.

سلول های فتوولتائیک در یک باتری خورشیدی ترکیب می شوند. به عنوان یک قاعده، تعداد فتوسل های باتری مضربی از 36 است، اما گزینه های دیگری نیز وجود دارد. علاوه بر باتری خورشیدی، سیستم های خورشیدی شامل وسایل دیگری نیز به منظور جمع آوری و توزیع برق می باشد. به طور خاص، این موارد عبارتند از:

• باتری (یک یا چند)؛
• اینورتر (ولتاژ را از 12 یا 24 به 220 ولت تبدیل می کند).
• کنترل کننده برای کنترل شارژ-دشارژ باتری و تامین برق شبکه.

از نظر هدف، دو گروه های بزرگدستگاه ها از پنل های خورشیدی کم توان (حداکثر ده وات) استفاده می شود گجت های موبایلیا پاور بانکبرای شارژ سیستم های قدرت بیشتری برای برق رسانی خانه های خصوصی و کلبه های تابستانی استفاده می شود. آنها معمولاً در پشت بام و نمای خانه ها قرار می گیرند و کمتر در مناطق نزدیک خانه قرار دارند. دستگاه هایی وجود دارند که به شما امکان می دهند خورشید را ردیابی کنید و بسته به موقعیت آن زاویه شیب را تغییر دهید. حال بیایید ببینیم باتری خورشیدی چگونه کار می کند و چه چیزی بازده کار آن را تعیین می کند.

باتری خورشیدی چگونه کار می کند؟

انرژی خورشیدی در سلول های فتوولتائیک متصل به سریال تبدیل می شود. اصل عملکرد یک باتری خورشیدی را در سطح سلول های فتوولتائیک در نظر بگیرید. اساس فتوسل یک کریستال سیلیکونی است. ترکیبات سیلیکونی در طبیعت بسیار رایج هستند. معروف ترین آنها اکسید سیلیکون یا ماسه است. یک کریستال سیلیکون را می توان به سادگی یک دانه بزرگ شن نامید. کریستال ها به صورت مصنوعی در آزمایشگاه رشد می کنند. معمولاً آنها به شکل مکعب و سپس در صفحات به دست می آیند. ضخامت این صفحات تنها 200 میکرون است. ضخیم تر از موی انسان 3-4 برابر است.

روی ویفرهای سیلیکونی حاصل، یک لایه بور در یک طرف و فسفر در طرف دیگر رسوب می‌کند. الکترون های اضافی در نقاط تماس بین ویفر سیلیکونی و بور وجود دارد. در طرف دیگر، در امتداد مرز ویفر سیلیکونی با فسفر، الکترون ها از دست رفته است. همانطور که معمولاً به آنها "سوراخ" می گویند وجود دارد. چنین اتصالی از مرزها با تعداد اضافی الکترون و عدم وجود آنها، اتصال p-n نامیده می شود.

هنگامی که نور خورشید به فتوسل های باتری برخورد می کند، سطح آنها با فوتون بمباران می شود. آنها الکترون های اضافی را در سطح مشترک با فسفر از بین می برند و شروع به حرکت به سمت "سوراخ" در سطح مشترک با بور می کنند. بنابراین، یک جریان الکتریکی ایجاد می شود که حرکت منظم الکترون ها است. مسیرهای فلزی به فتوسل متصل می شوند که جریان از طریق آن جمع آوری می شود. این اصل عملکرد یک فتوسل سیلیکونی است.

امروزه پنل های خورشیدی در خانه ها و کلبه های آنها برای صرفه جویی در مصرف برق نصب می شود. چنین سیستم های خورشیدی مینیاتوری در تمام طول سال کار می کنند. نکته اصلی این است که سطح پانل ها تمیز است و خورشید می درخشد. در برخی موارد، کارایی آنها در یک روز آفتابی یخبندان بیشتر از تابستان است. این به این دلیل است که گرمایش تا حدودی راندمان کار آنها را کاهش می دهد.

فوراً باید توجه داشت که رها کردن کامل برق از شبکه های متمرکز غیرممکن است. اما با نصب پنل خورشیدی می توان به میزان قابل توجهی در هزینه های آب و برق صرفه جویی کرد. البته این گزینه برای یک آپارتمان مناسب نیست. عادی است که چنین سیستمی را فقط در آن کار کنید خانه روستایییا در کشوری که فضای کافی برای نصب وجود دارد پنل های خورشیدی.

در مناطق مرکزی روسیه، منظومه شمسی در حدود 5 سال نتیجه می دهد. در مناطق جنوبی، دوره بازپرداخت به طور قابل توجهی کاهش می یابد. کلکتورها اغلب همراه با پنل های خورشیدی برای گرم کردن خانه نصب می شوند. اکنون کلکتورهای خورشیدی کارخانه ای وجود دارند که می توانند آب را در تمام طول سال گرم کنند.

در مورد نصب پنل های خورشیدی باید به نکات زیر توجه کرد:

• پانل ها باید در ضلع جنوبی سقف، نما یا در محل با ضلع جنوبی نصب شوند.
• زاویه شیب با مقدار عرض جغرافیایی منطقه شما مطابقت دارد.
• هیچ جسمی در این نزدیکی نیست که روی صفحات خورشیدی سایه بیاندازد.
• سطح پانل ها باید به طور منظم از خاک و گرد و غبار تمیز شود.
• استفاده از سیستم هایی با ردیابی موقعیت خورشید مطلوب است.

اکنون با اصل پنل های خورشیدی و قابلیت های آنها آشنا شدید. واضح است که نباید عرضه متمرکز برق را کنار گذاشت. سیستم های خورشیدی مدرن هنوز قادر به تامین انرژی خانه در هوای ابری نیستند. اما به عنوان بخشی سیستم ترکیبیتامین انرژی در خانه، آنها بسیار مناسب هستند.

به نظر می رسد اخیراً باتری خورشیدی به شدت با فضاپیماها، ایستگاه های مداری و ماه نوردها مرتبط بوده است. و اکنون، دستگاهی که می تواند الکتریسیته را از نور استخراج کند، در هر ماشین حسابی یافت می شود. علاوه بر این، در کشورهای غنی از نور خورشید با تابستان های گرم و زمستان های معتدل (دانشمندان آنها را "کشورهایی با تابش زیاد" می نامند)، مانند ایتالیا، اسپانیا، پرتغال، ایالت های جنوبی ایالات متحده و غیره. انرژی خورشیدی یک آیتم صرفه جویی قابل توجه در هزینه برای تامین برق و گرما است.علاوه بر این، این صرفه جویی هم به ابتکار خصوصی شهروندان و هم در قالب مقررات دولتی اجباری، مانند اسپانیا، رخ می دهد.

تلاش برای اینکه انرژی خورشید برای خود کار کند برای مدت طولانی توسط بشر انجام شده است، بنابراین طبق افسانه، ارشمیدس ناوگان رومی را سوزاند و دستور داد با آینه های زیادی تمرکز کنند (در نسخه دیگری سپرها تا حد درخشش صیقلی شده اند) نور خورشیددر بادبان های گالی های رومی. اما نتایج قابل توجه تلاش برای تسلیم کردن انرژی خورشید تنها در قرن گذشته به دست آمد. راه های استفاده از انرژی خورشیدی چیست؟

چگونه برق دریافت کنیم

واضح ترین راه تبدیل انرژی نور خورشید به گرما است. به طور دقیق، این را نمی توان حتی یک تبدیل نامید، زیرا نور و گرما از یک ماهیت برخوردارند و فقط از نظر فرکانس متفاوت هستند، صحبت از جمع آوری گرما صحیح تر است. برای جمع آوری گرمای خورشیدی، دستگاه هایی که به این نام خوانده می شوند - ("کلکتور" به معنای واقعی کلمه به معنای جمع کننده است). اصل عملکرد آنها بسیار ساده است - خنک کننده (آب، کمتر هوا) در رادیاتور ساخته شده از مواد جاذب گرما گرم می شود. چنین دستگاه هایی به طور گسترده ای برای تامین آب گرم خانه های خصوصی استفاده می شود.

یکی دیگر راه جالبطبیعت به ما می گوید که از انرژی نزدیکترین نور استفاده کنیم. طی میلیون‌ها سال تکامل، گیاهان آموخته‌اند که انرژی خورشید را به انرژی پیوندهای شیمیایی تبدیل کنند و ترکیب پیچیده‌ای به نام گلوکز را از مواد ساده سنتز کنند. البته هرکسی که در مدرسه گیاه شناسی را رها نکرد، حدس زد که ما در مورد فتوسنتز صحبت می کنیم. اما همه در مورد جوهر انرژی این فرآیند فکر نمی کردند که دقیقاً شامل انباشت انرژی خورشیدی و استفاده بیشتر از آن (از جمله در زمستان) برای اهداف "شخصی" است. یعنی ما در مورد انرژی زیستی صحبت می کنیم. واقعی، و نه آن چیزی که شعبده بازان داخلی در مورد آن صحبت می کنند. روش استفاده از انرژی خورشید با توجه به این اصل عملکرد هنوز در انتظار کاربرد آن در فناوری ساخت بشر است.

همانطور که در بالا ذکر شد، ساده ترین راه برای استفاده از انرژی خورشیدی برای اهداف شخصی، جمع آوری انرژی حرارتی است. با این حال، "آسان ترین" همیشه به معنای "بهترین" نیست. واقعیت این است که انرژی حرارتی، شاید بتوان گفت، "محصول فاسد شدنی" است. سعی کنید گرما را "حفظ" کنید یا آن را به آن منتقل کنید مسافت های طولانی. به احتمال زیاد، هزینه ها تمام مزایای ممکن را پوشش خواهند داد. راحت ترین شکل انرژی برای انباشت و حمل و نقل، برق است.می توان بدون آن انجام داد مشکلات خاصجمع آوری در باتری و یا انتقال با سیم به محلی که در آن کار خواهد کرد، با حداقل تلفات. از این سومین و رایج ترین روش استفاده از نور خورشید - تبدیل آن به نور خورشید است انرژی الکتریکی.

چگونه کار می کند

تبدیل نور خورشید در باتری‌ها (یعنی گروه‌های متصل به سری) سلول‌های فتوولتائیک، که نام «باتری‌های خورشیدی» را یاد گرفته‌اند، رخ می‌دهد. پنل های خورشیدی بر چه اساسی کار می کنند؟

قلب سلول خورشیدی یک کریستال سیلیکونی است.با سیلیکون (به طور دقیق تر، اکسیدهای آن) ما هر روز ملاقات می کنیم - این ماسه برای ما آشناست. بنابراین، می توان گفت که کریستال سیلیکون یک دانه غول پیکر شن است که در آزمایشگاه رشد می کند. کریستال ها به شکل مکعب در آمده و به ضخامت دویست میکرون پلاتین (حدود سه تا چهار ضخامت موی انسان) بریده می شوند.

یک لایه نازک از فسفر روی یک صفحه سیلیکونی در یک طرف و یک لایه نازک از بور در طرف دیگر اعمال می شود. در جایی که سیلیکون با بور تماس می گیرد، الکترون های آزاد اضافی ظاهر می شود، و در جایی که سیلیکون با فسفر تماس می گیرد، برعکس، الکترون ها کمبود دارند، به اصطلاح "حفره ها" ظاهر می شوند. محل اتصال رسانه ها با مازاد و کمبود الکترون نامیده می شود p-n فیزیکانتقال فوتون های نور سطح صفحه را بمباران می کنند و الکترون های فسفر اضافی را به الکترون های بور از دست می دهند. حرکت منظم الکترون ها جریان الکتریکی است. باقی مانده است که آن را با عبور از مسیرهای فلزی از طریق صفحه "مجموعه" کنید. بنابراین، در اصل، یک فتوسل سیلیکونی مرتب شده است.

قدرت یک صفحه فوتوسل بسیار کم است، فقط برای عملکرد یک لامپ چراغ قوه کافی است. از همین رو عناصر منفردجمع آوری شده در سیستم های باتری از نظر تئوری، امکان مونتاژ باتری با هر توانی از عناصر وجود دارد. باتری روی یک زیرلایه فلزی قرار می گیرد، برای افزایش استحکام تقویت شده و با شیشه پوشانده می شود. مهم است که باتری خورشیدی نه تنها قسمت مرئی، بلکه قسمت فرابنفش طیف خورشید را به الکتریسیته تبدیل کند، بنابراین شیشه ای که باتری را می پوشاند باید از اشعه ماوراء بنفش عبور کند.

یک مزیت مهم باتری خورشیدی این است که از نور استفاده می کند نه گرما، بنابراین برخلاف کلکتور، باتری خورشیدی می تواند در زمستان کار کند، تا زمانی که ابرها نور خورشید را نپوشانند. پروژه هایی برای ساخت میدان های عظیم پنل های خورشیدی در قطب شمال و قطب جنوب وجود دارد که انرژی را در طول روز قطبی نیمه سالانه که در شمال در تابستان و در جنوب در زمستان اتفاق می افتد، جمع می کنند، یعنی دو نیروگاه خورشیدی غول پیکر هرگز در یک زمان بیکار نخواهند بود.

همه اینها در آینده ای دور است و شما می توانید امروز با تجهیز خانه خود به یک نیروگاه خورشیدی مینیاتوری از خواص باتری خورشیدی بهره مند شوید. البته بعید است که چنین ایستگاهی نیازهای برق خانوار را به طور کامل برآورده کند، اما بدون شک به عاملی حساس در صرفه جویی در بودجه خانواده تبدیل خواهد شد.

همه موجودات زنده روی زمین به لطف انرژی خورشید پدید آمدند. در هر ثانیه مقدار زیادی انرژی به صورت تابش خورشیدی به سطح سیاره می آید. در حالی که ما هزاران تن زغال سنگ و فرآورده های نفتی را برای گرم کردن خانه های خود می سوزانیم، کشورهای نزدیک به خط استوا در گرما در حال خشک شدن هستند. استفاده از انرژی خورشید برای نیازهای انسان، کاری شایسته برای ذهن کنجکاو است. در این مقاله، ما طراحی مبدل مستقیم نور خورشید به انرژی الکتریکی - یک سلول خورشیدی را در نظر خواهیم گرفت.

ساده ترین طراحی یک سلول خورشیدی (SC) بر اساس سیلیکون تک کریستالی در شکل نشان داده شده است.

ویفر نازک از دو لایه سیلیکون با خواص فیزیکی متفاوت تشکیل شده است. لایه داخلی سیلیکون تک کریستالی خالص با "رسانایی سوراخ" (نوع p) است. در خارج، با یک لایه بسیار نازک از سیلیکون "آلوده" پوشیده شده است، به عنوان مثال، با مخلوطی از فسفر (نوع n). (درباره p-، n- و انواع p-nمقاله در مورد دیودها را ببینید). یک تماس فلزی جامد در قسمت پشتی صفحه اعمال می شود. در مرزها nلایه های p، در نتیجه سرریز بارها، مناطق تخلیه شده با بار حجمی مثبت جبران نشده در لایه n و بار حجمی منفی در لایه p تشکیل می شوند. این مناطق با هم یک اتصال p-n را تشکیل می دهند.

مانع پتانسیل (اختلاف پتانسیل تماس) که در محل اتصال ایجاد شده است از عبور حامل های بار اصلی جلوگیری می کند. الکترون ها از کنار لایه p، اما آزادانه حامل های کوچک را در جهت مخالف عبور می دهند. این ویژگی اتصالات p-n امکان به دست آوردن photo-emf را هنگام تابش نور خورشید به سلول های خورشیدی تعیین می کند. هنگامی که SC روشن می شود، فوتون های جذب شده جفت الکترون-حفره غیرتعادلی تولید می کنند. الکترون های تولید شده در لایه p نزدیک پیوند p-n به پیوند p-n و موجود نزدیک می شوند. میدان الکتریکیبه منطقه n منتقل می شوند.

به طور مشابه، سوراخ های اضافی ایجاد شده در لایه n تا حدی به لایه p منتقل می شود (شکل a). در نتیجه، لایه n یک بار منفی اضافی و لایه p یک بار مثبت به دست می آورد. اختلاف پتانسیل تماس اولیه بین لایه های p و n نیمه هادی کاهش می یابد و یک ولتاژ در مدار خارجی ظاهر می شود (شکل b). قطب منفی منبع جریان مربوط به لایه n و لایه p با مثبت است.

اکثر سلول های خورشیدی مدرن دارای یک اتصال p-n هستند. در چنین عنصری، حامل‌های بار آزاد تنها توسط فوتون‌هایی ایجاد می‌شوند که انرژی آن‌ها بزرگتر یا مساوی با فاصله باند است. به عبارت دیگر، پاسخ فوتوالکتریک یک سلول پیوندی منفرد به بخشی از طیف خورشیدی که انرژی آن بیشتر از شکاف نواری است محدود می شود و از فوتون های با انرژی کمتر استفاده نمی شود. این محدودیت را می توان با ساختارهای چندلایه دو یا چند SC با شکاف باند متفاوت برطرف کرد. چنین عناصری چند اتصال، آبشار یا پشت سر هم نامیده می شوند. از آنجایی که آنها با بخش بسیار بزرگتری از طیف خورشیدی کار می کنند، راندمان تبدیل فتوولتائیک بالاتری دارند. در یک سلول خورشیدی معمولی چند اتصالی، فتوسل‌های منفرد پشت سر هم قرار می‌گیرند تا نور خورشید ابتدا با بیشترین فاصله باند به سلول برخورد کند، در حالی که فوتون‌هایی که بیشترین انرژی را دارند جذب می‌شوند.

فوتون های منتقل شده توسط لایه بالایی با شکاف نواری کوچکتر به عنصر بعدی نفوذ می کنند و غیره. جهت اصلی تحقیق در زمینه عناصر آبشاری با استفاده از آرسنید گالیم به عنوان یک یا چند جزء مرتبط است. راندمان تبدیل چنین سلول های خورشیدی به 35 درصد می رسد! به دلایل فنی، جداگانه سلول خورشیدیمی توان فقط یک اندازه کوچک ساخت، بنابراین، برای بهره وری بیشتر، چندین عنصر به باتری متصل می شود.

باتری های خورشیدی خود را در فضا به عنوان یک منبع انرژی نسبتا قابل اعتماد و پایدار ثابت کرده اند که می تواند بسیار کار کند مدت زمان طولانی. خطر اصلی برای سلول های خورشیدی در فضا، تشعشعات کیهانی و گرد و غبار شهاب است که باعث فرسایش سطح سلول های سیلیکونی و کاهش عمر باتری می شود. برای ایستگاه های مسکونی کوچک، این منبع فعلی ظاهراً تنها منبع قابل قبول و به اندازه کافی مؤثر باقی خواهد ماند.