Сонячні батареї (стр. 2 из 4)

Мінімальну частоту v0 (або максимальну довжину хвилі 0) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту

Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту

Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла

2.2 Практичне застосування фотоефекту. Фотоелементи

Явище фотоефекту практично було застосоване в пристроях для прямого перетворення світлової або сонячної енергії в електроенергію, які називаються фотоелементами (з англійської Photovoltaics, від грецького photos – світло і назви одиниці електрорушійної сили – вольт) (Додаток В). Історія фотоелементів бере початок в 1839 році, коли французький фізик Едмон Беккерель відкрив фотогальванічний ефект. За цим послідували подальші відкриття:

У 1883 р. електрик з Нью-Йорка Чарльз Фріттс виготовив фотоелементи з селену, які перетворять світло у видимому спектрі в електрику і мають ККД 1-2%. (світлочутливі елементи для фотоапаратів до цих пір роблять з селену).

На початку 50-х років ХХ століття був винайдений метод Чохральського, який застосовується для вирощування кристалічного кремнію.

Перша сонячна батарея була створена в 1953 році вченими Національного аерокосмічного агентства США, які створили справжню сонячну батарею - пристрій, що безпосередньо перетворює енергію сонця в електрику.

Спочатку це була просто демонстраційна модель. Якогось практичного вживання тоді не передбачалося із-за дуже малої потужності перших сонячних батарей.

Але з'явилися вони дуже вчасно, для них незабаром знайшлося відповідальне завдання.

Людство готувалося зробити крок в космос. Задача забезпечення енергією численних механізмів і приладів космічних кораблів стала однією з першочергових. Існуючі акумулятори, в яких можна б було запасти електричну енергію, неприйнятно громіздкі і важкі. Дуже велика частина корисного навантаження корабля пішла б на перевезення джерел енергії, які, крім того, поступово витрачаючись, скоро перетворилися б на даремний громіздкий баласт. Найпринаднішим було б мати на борту космічного корабля власну електростанцію, бажано - що обходиться без палива. З цієї точки зору сонячна батарея виявилася дуже зручним пристроєм. На цей пристрій і звернули увагу вчені на самому початку космічної ери.

Вже третій радянський штучний супутник Землі, виведений на орбіту 15 травня 1958 року, був оснащений сонячною батареєю. А зараз широко розкриті крила, на яких розміщені цілі сонячні електростанції, стали невід'ємною деталлю конструкції будь-якого космічного апарату. Невеликі (менше 1 вата) фотоелектричні батареї живили радіопередавач американського космічного супутника «Авангард». Взагалі, космічні дослідження зіграли важливу роль в розвитку фотоелементів.

У 1954 р. в лабораторії компанії «Bell Telephone» синтезували силіконовий фотоелектричний елемент з ККД 4%, надалі ефективність досягла 11%.

Під час нафтової кризи 1973-74 рр. відразу декілька країн запустили програми по використанню фотоелементів, що привело до установки і випробування понад 3100 фотоелектричних систем лише в Сполучених Штатах. Багато хто з них до цих пір знаходиться в експлуатації.

Подальша історія розвитку технології фотоелементів:

1974 - перша аморфна кремнієва батарея;

1983 - перша електростанція на основі сонячних батарей з потужністю більш 1мегаватт;

1984 - США, електростанція на основі сонячних батарей потужністю 6,5 мегават;

1985 - перша сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 20%;

1987 - перше серійне виробництво сонячних батарей в Європі;

1989 - сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 30%;

2007 - дослідники з Делавера (США) створили сонячну батарею, яка володіє рекордною ефективністю - 42,8%. Батарея, виконана на основі полікристалічного кремнію містить унікальну оптичну систему, що розділяє світло на декілька пучків з різною енергією і спрямовує їх на відповідні приймачі.

Розділ 3. Сонячні батареї

3.1 Принцип роботи сонячної батареї

Напівпровідникові фотоелектричні елементи, що працюють на принципі перетворення світлової енергії сонячного випромінювання безпосередньо в електрику називають сонячними батареями.

Мал. 2. Схема роботи кремнієвої сонячної батареї:

1 - чистий монокристалічний кремній; 2 - «забруднений» кремній; 3 - акумулятор

Тонка пластина складається з двох шарів кремнію з різними фізичними властивостями. Внутрішній шар являє собою чистий монокристалічний кремній. Зовні він покритий дуже тонким шаром «забрудненого» кремнію, наприклад з домішкою фосфору. Після опромінення такої «вафлі» сонячними променями між шарами виникає потік електронів і утворюється різниця потенціалів, а в зовнішньому ланцюзі, що з'єднує шари, з'являється електричний струм.

При цьому генерується постійний струм. Енергія може використовуватися як напряму різними навантаженнями постійного струму, запасатися в акумуляторних батареях для подальшого використовування або покриття пікового навантаження, а також перетворюватися в змінний струм напругою 220 В для живлення різного навантаження змінного струму.

Вживання сонячних батарей стає ефективним при об'єднанні їх в єдину систему з такими пристроями, як акумулятори, контролери, інвертування.

3.2 Сонячні модулі

Сонячний модуль - це батарея взаємозв'язаних сонячних елементів, укладених під скляною кришкою. Фотоелектричну систему можна довести до будь-якого розміру. Власник такої системи може збільшити або зменшити її, якщо зміниться його потреба в електроенергії. У міру зростання енергоспоживання і фінансових можливостей, домовласник може додавати модулі (Додаток Г). Чим інтенсивніше світло, падаюче на фотоелементи і чим більше їх площа, тим більше виробляється електрики і тим більше сила струму. Модулі класифікуються по піковій потужності у ватах (Втп). Ват - одиниця вимірювання потужності. Один піковий ват - технічна характеристика, яка указує на значення потужності установки в певних умовах, тобто коли сонячне випромінювання в 1 кВт/м2 падає на елемент при температурі 25 оC. Така інтенсивність досягається за хороших погодних умов і Сонця в зеніті. Щоб виробити один піковий ват, потрібен один елемент розміром 10 x 10 см. Крупніші модулі, площею 1 м x 40 см, виробляють близько 40-50 Втп. Проте сонячна освітленість рідко досягає величини 1 кВт/м2. Більш того, на сонці модуль нагрівається значно вище за номінальну температуру. Обидва ці чинника знижують продуктивність модуля. В типових умовах середня продуктивність складає близько 6 Вт·ч в день і 2000 Вт·ч в рік на 1 Втп. 5 ват-година - це кількість енергії, споживана лампочкою 50-вата протягом 6 хвилин (50 Вт x 0,1 ч = 5 Вт·ч) або портативним радіоприймачем протягом години (5 Вт x 1 ч = 5 Вт·ч).

Хоча якість продукції не завжди однакова, більшість міжнародних компаній проводить достатньо надійні фотоелектричні модулі з терміном експлуатації до 20 років. На сьогоднішній день виробники модулів гарантують вказану потужність на період до 10 років

3.3 Використання сонячних батарей

Технології використання сонячної енергії активно розвиваються в багатьох країнах світу. Деякі з них вже досягли комерційної зрілості, успішно конкурують на ринку енергетичних послуг і навіть увійшли до повсякденного вжитку.

У Німеччині, наприклад, в рамках проекту «Тисяча дахів» 2250 будинків було обладнано фотоелектричними сонячними батареями. В США була прийнята ще масштабніша програма «Мільйон сонячних дахів», яка розрахована на період до 2010 року і склала 6,3 млрд доларів бюджетних вкладень.

Встановлена потужність сонячних фотоелектричних перетворювачів в світі перевищує 1 ГВт, причому на частку Японії доводиться 50%. Україна, на жаль, набагато відстає по рівню вживання цих джерел енергії, хоча по праву може вважатися одним з родоначальників цього напряму. Багато космічних апаратів обладнано сонячними панелями, розробленими і випущеними в Києві.

В Каракумах для зварки конструкцій ферми застосували розроблений туркменськими фахівцями апарат, що використовує енергію сонця. Замість того, щоб привозити з собою громіздкі балони із стислим газом, зварювачі можуть використовувати невеликий акуратний чемоданчик, куди поміщена сонячна батарея. Народжений сонячним промінням постійний електричний струм використовується для хімічного розкладання води на водень і кисень, які подаються в пальник газозварювального апарату. Вода і сонце в Каракумах є біля будь-якого колодязя, так що громіздкі балони, які нелегко возити по пустелі, стали непотрібними.

Велика сонячна електростанція потужністю близько 300 кіловат створюється в аеропорту міста Фенікс в американському штаті Арізона. Сонячну енергію в електрику перетворюватиме сонячна батарея, що складається з 7 200 сонячних елементів. В тому ж Штаті діє одна з найбільших в світі іригаційних систем, насоси якої використовують енергію сонця, перетворену в електрику фотоелементами. В Нігері, Малі і Сенегалі теж діють сонячні насоси. Величезні сонячні батареї живлять електроенергією мотори насосів, які піднімають прісну воду, необхідну в цих пустинних місцевостях, з величезного підземного моря, розташованого під пісками.

Сонячні батареї поступово входять в наш побут. Вже нікого не дивують мікрокалькулятори, що працюють без батарей. Джерелом живлення для них служить невелика сонячна батарея, вмонтована в кришку приладу. Замінюють інші джерела живлення мініатюрною сонячною батареєю і в електронному годиннику, радіоприймачах і магнітофонах, садових ліхтарях. З'явилися сонячні радіотелефони-автомати уздовж доріг в пустелі Сахара. Перуанське місто Тірунтам стало володарем цілої радіотелефонної мережі, що працює від сонячних батарей. Японські фахівці сконструювали сонячну батарею, яка за розмірами і формою нагадує звичайну черепицю. Якщо такою сонячною черепицею покрити будинок, то електроенергії вистачить для задоволення потреб його мешканців. Правда, поки неясно, як вони обходитимуться в періоди снігопадів, дощів і туманів? Без традиційної електропроводки обійтися, мабуть, не вдасться.