Солнечные батареи, их характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. История открытия солнечной энергии

2. Солнечные батареи на верблюде

3. Как работают солнечные панели

4. Фотоэлемент. Физический принцип работы фотоэлемента

5. Солнечные батареи

6. Сырье, из которого получают солнечные батареи

7. Солнечный коллектор

Вывод

Список использованной литературы

Солнце - является единственной и центральной звездой Солнечной системы. Вокруг нее обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, астероиды, кометы, метеориты, космическая пыль, карликовые планеты и их спутники. Масса Солнца составляет 99,866 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Солнечное излучение определяет климат на Земле и поддерживает жизнь. Солнце состоит из водорода, гелия и других, входящих в его состав в небольших концентрациях, элементов: никеля, кислорода, кремния, магния, железа, углерода, магния, кальция, неона и хрома. По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V, что означает «жёлтый карлик». Температура поверхности Солнца достигает 6000 К, поэтому, оно светит почти белым светом. Однако, из-за более сильного поглощения и рассеяния коротковолновой части спектра атмосферой Земли прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает желтоватый оттенок [1].

Солнечная энергетика - это направление нетрадиционной энергетики, которое основано на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределенного производства энергии [2].

солнечный энергия батарея коллектор

1. История открытия солнечной энергии

Еще в древности люди задумывались о возможностях применения солнечной энергии. Согласно легенде, греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, осадивший его родной город Сиракузы, используя систему зажигательных зеркал. Ранее было известно, что 3000 лет назад султанский дворец в Турции отапливался водой, которая была нагрета солнечной энергией. Но, больше всего, людей интересовали опыты с увеличительными стеклами и зеркалами. Настоящий «солнечный бум» произошел в XVIIIстолетии, когда наукабыла освобождена от пут религиозных суеверий, пошла вперед семимильными шагами. Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Ж. Бюффон -естествоиспытатель, создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре, был создан первый водонагреватель шведским ученым Н. Соссюром (деревянный ящик со стеклянной крышкой. Однако, вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалось солнцем до 88°С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. И вскоре, в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, которое расплавляло гранит за минуту, а чугун за 3 секунды.

Первые солнечные батареи, которые могли бы преобразовывать солнечную энергию в механическую, были построены во Франции. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О.Мушо демонстрировал инсолятор - аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, которая печатала по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили похожий аппарат, мощность которого была 15 лошадиных сил.

С каждым годом инсоляторы, которые использовали солнечную энергию, совершенствовались, однако, принцип оставался прежним: солнце - вода - пар. В 1953 году ученые Национального аэрокосмического агентства США создал настоящую солнечную батарею - это устройство, непосредственно преобразующее энергию солнца в электричество.

Солнечная батарея - это бытовой термин, который используется не в научной прессе или разговорной речи. Под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей) - полупроводниковых устройств, которые прямо преобразует солнечную энергию в постоянный ток.

В отличие от солнечных коллекторов, которые производят нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Однако, для производства электричества из солнечной энергии используются солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие, например, тепловых машин, носят название Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).

Различные устройства, которые позволяют преобразовывать солнечное излучение в электрическую и тепловую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики. Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в различны направлениях. Солнечные батареи бывают разного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы, до занимающих крыши автомобилей и зданий.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 70-х годах 19 века. Это явление, связанное с освобождением электронов жидкости под действием электромагнитного излучения и твердого тела. В 30-х годах глава физиков академик А. Ф. Иоффе говорил об использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике. Правда, рекордный КПД не превышал 1%, т.е. в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии. После проведения многолетних экспериментов, удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%. Потом американцы построили современного типа солнечные батареи. В 1959 году батареи были установлены на одном из первых спутников Земли, и с тех пор, се космические станции оснащаются многометровыми панелями с солнечными батареями. Низкий КПД этих батарей можно было компенсировать большой площадью. Например, покрыть пустыню Сахара фотоэлементами и тогда, будет готова мощнейшая электростанция. Но, кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, стоят достаточно дорого (чем выше КПД, тем дороже материалы). Вследствие этого, доля солнечной энергии в нынешней энергетике невелика.

Доля солнечной энергии в энергетике невелика. Но, в связи с не бесконечным запасом ископаемого топлива, доля энергии, получаемой солнечными батареями неминуемо растет. Росту использования солнечных батарей так же способствуют разработки, направленные на повышение КПД и понижение их стоимости.

Экологическая чистота - является одним из главных достоинств солнечной энергии. Однако, соединения кремния могут наносить небольшой вред окружающей среде, но, по сравнению с последствиями сжигания природного топлива данный ущерб - всего лишь капля в море.

Долговечность - это очень важное и весомое достоинство полупроводниковых солнечных батарей. При этом, уход за ними не требует особо больших знаний. Вследствие этого, солнечные батареи становятся все более популярными в промышленном быту.

Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить все энергетические проблемы небольшой деревушки. Индия, Южная часть США, Испания, Саудовская Аравия используют солнечные электростанции, которые достигают внушительной мощности.

На сегодняшний день уже разрабатываются проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Современная технология позволяет осуществить такой проект в самом ближайшем будущем, хотя это все звучит достаточно фантастично.

2. Солнечные батареи на верблюде

Большое количество научных экспериментов и тонких технологий требуют подчас создания огромной температуры. Идеальный вариант - солнечная энергия, которая способна создавать огромные температуры на небольшой площади. Самая известная «солнечная печь» действует во французском месте Одило. Ее подвижные зеркала концентрируют энергию солнца с большой площади на площадке менее одного квадратного метра. Эта площадка находится на небольшой башне перед системой зеркал. В ясные дни в фокусе зеркал удается достигнуть 3300°С. С ее помощью в данном городке создаются материалы с особенными свойствами, которые невозможно получить в традиционной металлургии [3].

Солнечная энергетика открыта уже очень давно. Но ее долго не рассматривали в качестве крупного источника энергии из-за дорогого производства. Время идет и технологии развиваются. Солнечные панели дешевели и стали серьезным источником энергии. В прошлом году во всем мире суммарная мощность солнечных электростанций превысила 20 гигаватт. И этот показатель с начала 21 века удваивается каждые 3 года [4].

1. Первая промышленная солнечная электростанция была построена в 1985 году в СССР в Крыму. СЭС - 5 имела высокую мощность 5 МВт (сколько и у ядерного реактора). За 10 лет работы она выработала 2 миллиона кВт/час электроэнергии. Но стоимость ее электричества казалась довольно высокой, что в 90-х годах привело к ее закрытию. В это время работы активизировались в США, где компания LooseIndustries запустила 80-мегаватную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила такую СЭС на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечно-газового2 кВт/часа до 7-8 центов.

2. Использовать энергию Солнца в быту можно и без превращения ее в электричество. Для того, чтобы «протопить» холодную комнату или нагреть воду в водопроводе, можно напрямую воспользоваться солнечным теплом. Установки, которые собирают, сохраняют и передают это тепло, называются солнечными коллекторами. В самом простом варианте все выглядит так: на крыше дома или на его южной стене устанавливается панель, которая состоит из тоненьких трубочек, по которым в специальный бак-аккумулятор подается вода. Солнце нагревает трубки, они нагревают воду, а вода (температура которой в этой системе при использовании зеркального поддона может доходить до 60-90°С) накапливается в баке и потом используется для обогрева или горячего водоснабжения. Дома, которые оборудованы такими системами, называются «солнечными домами». С одной стороны, этот дом стоит в несколько раз дороже, чем обычный, но, с другой стороны - он позволяет резко сократить коммунальные платежи - на 50-70%.

3. Но, встречаются более серьезные системы. Одна из таких систем была сооружена в США в штате Нью-Мексико еще в 1978 году и работает до сих пор - Национальная солнечная установка для тепловых испытаний (NSTTF), принадлежащая Пентагону и которая применяется для проверки жаропрочности корпусов гражданских и военных ракет. Состоит данная установка из 60-метровой башни-мишени и 220 гелиостатов, размером 6х6 метров. Зеркала, подобно архимедовой установки, где температура в солнечные дни поднимается до 2 000°С. Всего в 2,5 раза меньше, чем на поверхности Солнца, и в 2 раза выше температуры горения напалма. Установка имеет площадь зеркал 8500 м2 и тепловую мощность 5 МВт [5].

4. В 2008 году в Республике Корея было установлено 274 мегаватта мощности солнечных панелей.

5. В Японии суммарная мощность солнечных электростанций приближается к 3 гигаваттам [6].

3. Как работают солнечные панели

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, позволяющие осуществить прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, возникающий в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Преобразование энергии света в электроэнергию - фотовольтаический эффект был открыт в 1839 году французским физиком Эдмондом Беккерелем. Солнечный свет несет определенную энергию. Разным длинам волн света (синий, желтый, красный т.д) соответствуют свои уровни энергии. Попадая на воспринимающий полупроводниковый слой, свет передает свою энергию электрону, который срывается со своей орбиты в атоме. Поток электронов и есть электрический ток. Но, до создания первой солнечной батареи прошло еще более сорока лет. Чарльз Фритц в 1883 году покрыл кремниевый полупроводник тонким слоем золота и получил батарею, КПД которой составил не более 1%. Аналогичные современным фотовольтаические элементы были запатентованы как «светочувствительные элементы» в 1946 г. компанией RussellOhl. Первый искусственный спутник с применением фотовольтаических элементов был запущен СССР в 1957 г., а в 1958 г. США осуществили запуск спутника Explorer 1 с солнечными панелями. Эти два события показали, что солнечные панели могут служить единственным и достаточным источником энергоснабжения геостационарных спутников, что подтвердило компетентность солнечных батарей [7]. Это был достаточно важный момент в развитии данной технологии, так как в результате успешных запусков несколько правительств инвестировали колоссальный объем средств в ее разработку. С 2000 г. растет эффективность производимых кремниевых моно- и поликристаллических фотоэлектрических элементов. В 2007 году она достигла максимального значения - 19%. Другие технологии из-за меньшей эффективности оказались обделены вниманием разработчиков до недавнего времени. Для практического использования солнечных панелей на Земле требовались качественные и дорогие элементы, которые были бы пригодны для массового применения и производства. Именно такими и стали кремниевые солнечные панели. Сегодня, лидером является моно- и поликристаллический кремний - 87 % мирового рынка. Аморфный кремний составляет 5 %, а тонкопленочные элементы - 4,7%. Основным материалом для производства солнечных фотоэлектрических панелей является кремний (его повсеместная доступность). Важную роль играет разработанность технологии, поскольку кремний широко используется в разных видах электроники. Основой для солнечных панелей являются тонкие срезы кремниевых кристаллов (чем тоньше слой, тем меньше себестоимость и тем выше эффективность). В 2003 году в индустрии фотовольтаики толщина слоя в наиболее качественных элементах составляла 0,32 мм, а к 2008 году уменьшилась до 0,17 мм. А эффективность повысилась с 14% до 16% [8].

Способы получения тепла и электричества из солнечного излучения

1. Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин;

2. Двигатель Стирлинга и т.д.;

3. Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

4. Паровые машины (поршневые или турбинные), которые используют водяной пар, пропан-бутан, фреоны, углекислый газ;

5. Солнечные аэростатные электростанции - генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, который покрыт селективно-поглощающим покрытием). Преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду [9].

6. Термовоздушные электростанции - преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);

7. Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, которая поглощает солнечные лучи - фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

4. Фотоэлемент. Физический принцип работы фотоэлемента

Фотоэлемент - это электронный прибор, преобразующий энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, который был основан на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце 19 века.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, возникающий в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП вызвана легированием одного и того же полупроводника различными примесями или путем соединения различных полупроодников с неодинаковой шириной запрещенной зоны - энергии отрыва электрона из атома, а также, за счет изменения химического состава полупроводника, который приводит к появлению градиента ширины запрещенной зоны.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры и оптических свойств ФЭП. Среди них наиболее важную роль играет фотопроводимость, которая обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии ФЭП связаны с:

Ш Прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нем;

Ш Внутренним сопротивлением преобразователя;

Ш Рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объеме ФЭП;

Ш Отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются специальные мероприятия:

Ш Переход от гомогенных к гетерогенным и вариозным полупроводниковым структурам;

Ш Разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

Ш Использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещенной зоны;

Ш Оптимизация конструктивных параметров ФЭП;

Ш Применение многофункциональных оптических покрытий, которые обеспечивают просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космических радиаций;

Ш Создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещенной зоны полупроводников, которые позволяют преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад.

Существенно повысить КПД ФЭП удалось за счет создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью, применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных пленочных светоделителей с последующим преобразованием каждого участка спектра ФЭП и .т.д [10].

Фотоэлектрический эффект - это явление испускания электронов веществом под действием света. В 1887 году Г. Герцем было открыто, что искровой разряд в воздушном промежутке легче возникает при наличии другого искрового разряда. Герц экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второго разряда. В 1889 Дж. Томсон и Ф. Ленард установили, что при освещении поверхности металла в откачанном сосуде она испускает электроны. Ленард, продолжая эти исследования, в 1902 году показал, что число электронов, которые вылетают за 1 секунду с поверхности металла, пропорционально интенсивности света, а их энергия зависит лишь от световой длины волны (цвета). Оба эти факта противоречили выводам теории Максвелла о механизме испускания и поглощения света. Согласно этой теории, интенсивность света служит мерой его энергии и должна влиять на энергию испускаемых электронов [11].

При определенных условиях фотоэффект возможен в атомных ядрах и газах, из которых фотоны с достаточно высокой энергией могут выбивать протоны и из них появляются мезоны. Фотоэлектрические свойства поверхности металла широко используются для управления электрическим током посредством светового пучка, при воспроизведении звука со звуковой дорожки кинопленки, а также в многочисленных приборах контроля и сортировки. Фотоэлементы находят применение также в светотехнике [12].

5. Солнечные батареи

В настоящее время, тема развития альтернативных способов получения энергии является актуальной. Традиционные источники стремительно иссякают и в скором времени будут исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы дороги и в большей мере влияют на экономику государств.

Все это заставляет жителей планеты искать новые способы получения энергии. Наиболее перспективным из всех является получение солнечной энергии.

Если высчитать количество условных тонн, которые Солнце предоставляет в течение года, то мы получим примерно около 100 триллионов тонн. Таким образом, люди получают количество энергии, которое превышает необходимые ресурсы в десять раз.

Результатом многолетней работы стало такое устройство как солнечная батарея [13].

6. Сырье, из которого получают солнечные батареи

Ученые говорят, что кремний является вторым по распространенности элементом на наше планете. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры. Себестоимость чистого «солнечного» кремния равна себестоимости урана для АЭС.

По причине такой цены кремния, которая отражается на розничной цене солнечных элементов, исследовательские центры на протяжении многих лет занимаются поиском альтернативных вариантов. Например, немецкие ученые в физическом институте электроники предложили использовать вместо кремния синтетические волокна, которые способны под воздействием света генерировать электрический ток. Новые разработки дешевы и подходят для питания маломощных цифровых устройств (карманный ПК, мобильный телефон и т.д).

В настоящее время, в эпоху нанотехнологий, когда человек с легкостью завоевывает микромир, научные вклады инженеров могут в несколько раз ускорить процесс развития «солнечной» отрасли. Ученые норвежской компании ScatecAS утверждают, что панели, которые были изготовлены с применением нанотехнологий, могут и позволяют снизить стоимость солнечной энергии по сравнению с распространенными сейчас фотогальваническими ячейками в 2 раза [14].

Типы солнечных элементов

1. Многокристаллический кремний - для его изготовления, кремний очищается, плавится и кристаллизуется в слитках, от которых отрезают тонкие слои. Внешне, многокристаллические элементы выглядят как однотонная поверхность почти черного или темно-синего цвета. Сквозь кремний проходит сетка из металлических электродов. Срок службы таких панелей у хороших производителей составляет 40-50 лет.

2. Поликристаллический кремний - технология не отличается от многокристаллических элементов. Однако, для изготовления используется более дешевый кремний. Эффективность составляет 14-15%. Тем не менее, эти панели используются такой же популярнотью на рынке, что и монокристаллические. В России перспективнее использовать монокристаллические панели, поскольку при неразвитости собственного производства и больших расстояниях целесообразнее ввозить и транспортировать более эффективные панели.

3. Ленточный кремний - является таким же, как и предыдущие. Однако, кремний не нарезается от кристалла, а наращивается тонким слоем в виде ленты. Антибликовое покрытие дает радужную окраску таким панелям. Эта технология не смогла завоевать рынок (2%).

4. Аморфный кремний - используются не кристаллы, а тонкие слои кремния, стекло или металл. Данный тип является одним из самых дешевых в производстве. Слои кремния выгорают на свету значительно быстрее, чем у предыдущих типов. Снижение производительности на 20% может произойти примерно через полтора месяца. Распознать такую панель на вид можно по более темному цвету или блеклому сероватому.

5. Теллурий кадмия - обладает потенциально большей эффективностью и в качестве проводящего компонента использует оксид олова. Эффективность - 8-11%. Себестоимость этих элементов не намного дешевле моно- и поли- кристаллических кремниевых и обладают проблемой использования токсичного кадмия. Сейчас этот тип элементов занимает менее 5% от общего рынка. Допуск таких панелей в России нежелателен.

6. Другие элементы - не получили большого распространения. Наиболее перспективными являются медно-галлиевые, композитные, концентрирующие и некоторые другие элементы.

7. Солнечный коллектор

Данные устройства сегодня являются наиболее распространенным типом солнечных преобразователей. Работа устройства осуществляется при температуре от ста до двухсот градусов.

В наши дни солнечные коллекторы выполняют огромный диапазон работы. При помощи коллекторов избавляют от соли, добывают воду из колодцев, подогревают еду. Посредством концентрированной солнечной энергии сушат фрукты или овощи, а также, замораживают продукты. Плюсом их использования является высокий КПД. Уровень эффективности тепловых гелиоприемников повышают за счет их дополнения специальными зеркальными поверхностями.

Главной функцией такой поверхности является концентрация поступающего излучения.

Важнейшим достоинством солнечных коллекторов является простота и дешевизна их изготовления, а также, неприхотливость в эксплуатации. Коллектор может уловить и преобразовать в тепло более 90% попавшего на него солнечного излучения. И при легкой облачности его КПД превосходит КПД батарей других типов [15].

Вывод

Исходя из исследования, можно выявить достоинства и недостатки солнечной энергии.

Достоинства:

Ш Неисчерпаемость и общедоступность источника;

Ш Полня безопасность для окружающей среды.

Недостатки:

Ш Высокая стоимость конструкции;

Ш Необходимость постоянной очистки отражающей поверхности от пыли;

Ш Зависимость от времени суток и погоды;

Ш Необходимость аккумуляции энергии;

Ш Нагрев атмосферы над электростанцией[16].

1. Интернет источник-http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%86%D0%B5

2. Интернет источник -http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D1%8C

3. Интернет источник - http://galspace.spb.ru/index115.html

4. Интернет источник - http://www.dvfond.ru/sun/index.shtml

5. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М., 2013

6. Интернет источник - http://galspace.spb.ru/index115.html

7. Интернет источник - http://www.dvfond.ru/sun/index.shtml

8. Джафаров Т.Дж.О. Фотостимулированные атомные процессы в полупроводниках. М., 2012

9. Интернет источник - http://elektroas.ru/author/admin/page/128

10. Интернет источник - http://www.dvfond.ru/sun/index.shtml

11. Интернет источник - http://galspace.spb.ru/index115.html

12. Интернет источник -http://www.3dnews.ru/editorial/sun_energy/

13. Интернет источник - http://sunbattery.net/vid_batarey.php?page=sun

14. Интернет источник - http://sunbattery.net/vid_batarey.php?page=sun_preimuwestva

15. Интернет источник - http://morana.ucoz.ru/publ/4-1-0-69

16. Интернет источник - http://sunbattery.net/index.php

Размещено на Allbest.ru