Любите вы их или нет, фотоэлектрические панели - чудо техники. Но как они работают?
Солнечные фотоэлектрические панели стали сегодня обычным явлением. Многие крыши по всему миру покрыты ими. Но как они на самом деле работают? Давайте выясним.
Как работают солнечные батареи шаг за шагом
В двух словах, солнечные фотоэлектрические панели преобразуют свет от солнца в электричество. Для этого требуется несколько шагов, как вы можете себе представить. Первым шагом во всем цикле является генерация света. Наше Солнце, G2V (жёлтый карлик, вторая самая горячая звезда G-класса) и звезда третьего поколения, является гигантским реактором ядерного синтеза. Поскольку под огромным давлением и температурой оно объединяет атомы в своем ядре, одним побочным продуктом этого процесса, помимо огромного количества тепла (около 15 миллионов градусов по Цельсию), является обильное количество света.
Этот свет путешествует от места атомного синтеза к поверхности Солнца, иногда на это уходят сотни тысяч лет. Как только он достигает поверхности Солнца, свет рассеивается в пространстве вокруг него. Свет, как мы все знаем, состоит из крошечных масс, или квантов, называемых фотонами. Эти фотоны путешествуют в пустоте космоса во всех направлениях, причем очень небольшое их количество достигает Земли. Чтобы преодолеть 93 миллиона миль между нами и Солнцем, со скоростью света требуется около 8,5 минут. Каждый час бесчисленное количество фотонов освещает нашу Землю, предлагая огромное количество энергии для жизни. Подсчитано что, если бы человечество могло использовать подавляющее большинство этой энергии, этого должно быть достаточно для удовлетворения глобальных энергетических потребностей в течение всего года.
Но для этого нам нужна какая-то технология. Одним из наших основных решений была разработка фотоэлектрической батареи. Эта технология использует полупроводники, обычно кремний, для захвата и преобразования этих фотонов в электрический ток. Полупроводники - это материалы, которые в определенных условиях действуют как электрические проводники, так и изоляторы. Когда солнечные фотоны, возраст которых составляет несколько сотен тысяч лет, попадают на солнечный элемент, они выбивают электроны из атомов полупроводника.
Чтобы быть полезными для нас, эти электроны должны быть собраны где-нибудь, чтобы произвести электрический ток. Чтобы достичь этого, в фотоэлементе необходим электрический дисбаланс. Вы можете сравнить это с уклоном, по которому электроны могут течь в одном направлении. Фотоэлектрические панели обычно состоят из двух слоев полупроводника.
Чтобы достичь этого, фотоэлектрические панели состоят из нескольких полупроводниковых слоев, расположенных между собой. Каждый полупроводниковый слой «легирован» каким-либо другим материалом, чтобы сделать их либо положительно, либо отрицательно заряженными.
Фосфор обычно является «легирующим» агентом, выбранным для верхнего слоя, чтобы придать ему отрицательный заряд, он же кремний n-типа. Бор обычно используется для нижнего положительно заряженного слоя, иначе кремний р-типа. Эта установка запускает ячейку для создания электрической цепи, когда электроны высвобождаются. Но некоторые другие компоненты необходимы для сбора и превращения этих электронов в полезную энергию. «Металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на провода. В этот момент электроны могут течь, как и любой другой источник электричества». - livescience.com.
Поскольку все больше и больше из них протекают по цепи, генерируется электричество постоянного тока, которое можно использовать для полезной работы. Но сначала необходимо преобразовать постоянный ток (DC) в переменный ток (AC) для использования в большинстве электроприборов в вашем доме.
Для этого постоянный ток передается в устройство, называемое солнечным инвертором. Они не только генерируют переменный ток, но и обеспечивают защиту от замыканий на землю для панели. Оказавшись в форме переменного тока, электрический ток можно использовать для питания множества электрических устройств в вашем доме. Или, в качестве альтернативы, его можно отправить в национальную сеть - обычно с привлечением какой-либо формы оплаты.
Каждая солнечная панель состоит из нескольких таких фотоэлементов, а фотоэлектрические установки обычно состоят из нескольких панелей, образующих фотоэлектрическую матрицу. Чем больше фотоэлектрических панелей, тем больше массив и тем больше электрическое производство.
Заканчиваются ли электроны у солнечных батарей?
Нет, это невозможно. Это связано с тем, что фотоэлектрические панели работают за счет высвобождения электронов из «легированных» полупроводниковых материалов внутри ячейки, которые образуют цепь и затем возвращаются к полупроводникам внутри панели. То же самое верно для любой электрической цепи. Здесь электроны протекают как электрический ток через замкнутый контур. «Цепи не создают, не разрушают, не используют и не теряют электроны. Они просто проводят электроны по кругу». - wtamu.edu. Все устройство при воздействии солнечного света генерирует электрическую цепь, которая течет в одном направлении через фотоэлектрическое устройство и его вспомогательные компоненты.
«Электроны в передней части ячейки собираются с помощью сверхтонких линий сетки, которые печатаются на передней поверхности ячейки. Они втекают в более толстые шины (металлические полосы или прутки, используемые для распределения электроэнергии), как отдельные автомобили на жилых улицах, вылетая на автостраду - за исключением того, что все они движутся со скоростью, близкой к скорости света!
Затем электрический ток протекает в цепь, где он отдает свой потенциал напряжения в виде электрической энергии. Истощенные электроны затем продолжают течь по электрической цепи, пока не вернутся обратно в заднюю часть солнечного элемента, где они рекомбинируют с отверстиями, которые они изначально оставили позади". - interplaylearning.com.
По этой причине в ячейках никогда не кончатся электроны. Они всегда текут по кругу созданной цепи внутри фотоэлемента. Потенциал напряжения создается солнечными фотонами, которые отдают часть своей энергии в нагрузке цепи. Затем он снова возвращается в солнечный элемент, и процесс повторяется снова и снова - до тех пор, пока, конечно, есть солнечный свет.
Как работают портативные солнечные панели?
Портативные солнечные панели, как следует из названия, представляют собой фотоэлектрические панели, которые можно перевозить и использовать в мобильных целях. Они отличаются от более традиционных фотоэлектрических панелей, которые являются тяжелыми и громоздкими и, как правило, используются в статической или фиксированной установке.
Их основная функция в основном такая же, как у больших коммерческих и домашних массивов. Портативные фотоэлектрические матрицы имеют тенденцию быть более компактными и намного меньше по размеру. Они также могут поставляться с дополнительными функциями, такими как складной дизайн или подставка, и их общий эстетический вид будет широко варьироваться. Они, как правило, имеют меньшую мощность выработки электроэнергии, чем большие фотоэлектрические системы, и специально предназначены для использования в кемпингах или поездках на транспортных средствах. Типичные жилищные фотоэлектрические системы могут генерировать около 30 кВтч электроэнергии в день. Портативные, с другой стороны, обычно способны генерировать от 5 до 10% от этой суммы. Но поскольку у вас должно быть немного электроприборов, если вам конечно не нравится таскать с собой 40-дюймовый телевизор и Playstation 4, этого должно быть более чем достаточно.
