Как работает солнечная энергия

3 мин чтения

Солнечная энергия — это процесс захвата света и тепла солнца и их преобразования в электричество или тепло, которое мы можем использовать. Существует два основных метода: солнечные панели (фотоэлектрические) и солнечные тепловые электростанции [1].

Солнечные панели (фотоэлектрические)

Эти панели состоят из специальных ячеек, которые обычно изготавливаются из кремния [2]. Каждая солнечная ячейка состоит из двух слоев кремния, которые подверглись химической обработке или «легированию» различными веществами: верхний слой легирован фосфором, что создает избыток электронов (тип N), в то время как нижний слой легирован бором, что создает недостаток электронов или «дырки» (тип P) [3].

Когда фотоны солнечного света попадают на солнечную ячейку, они выбивают электроны из их атомных связей, создавая электрический ток. Электрическое поле на PN-переходе заставляет эти свободные электроны двигаться в одном направлении, создавая постоянный электрический ток [3]. Этот процесс называется «фотоэлектрическим эффектом», который был открыт французским физиком Александром Эдуардом Беккерелем в 1839 году [3].

Одиночные солнечные ячейки обычно производят от 0,5 до 0,6 вольт, поэтому в каждой панели несколько ячеек соединяются последовательно, чтобы достичь полезных уровней напряжения, обычно от 30 до 40 вольт на панель [3]. Электричество, вырабатываемое панелями, представляет собой постоянный ток (DC), который должен быть преобразован устройством под названием «инвертор» в переменный ток (AC), пригодный для использования в домах и электроприборах [3].

Современные коммерческие солнечные ячейки обычно преобразуют от 18 до 22 процентов падающего солнечного света в электричество, а в лабораторных образцах эффективность достигла более 26 процентов [3].

Солнечные тепловые электростанции

При этом методе используются большие зеркала для фокусировки солнечного света в одной точке. Это сильно нагревает жидкость (например, масло или расплавленную соль). Эта горячая жидкость превращает воду в пар, а пар вращает турбину для выработки электроэнергии [1].

Преимущества и ограничения

Солнечная энергия чистая и не загрязняет окружающую среду, считается неисчерпаемой (пока существует солнце), а после установки затраты на ее обслуживание низки [1]. Однако ночью или в пасмурные дни выработка энергии снижается, требуются аккумуляторы для хранения электричества, а первоначальная установка стоит дорого [1].

Компоненты системы солнечного электроснабжения

Система солнечного электроснабжения состоит из сложных электрических компонентов, которые работают вместе для обеспечения чистой и надежной энергии. С момента попадания солнечного света на панель до момента поступления электричества в бытовые приборы задействованы многочисленные компоненты и процессы [3].

Электрические компоненты постоянного тока (DC) играют жизненно важную роль в системе. В отличие от переменного тока (AC), который естественным образом меняет свое направление, постоянный ток течет непрерывно в одном направлении и создает стабильные дуги, которые трудно прервать. Современные солнечные установки часто работают с напряжением DC более 600 вольт, а некоторые крупномасштабные системы достигают 1500 вольт и выше [3].

Современные инверторы делают больше, чем простое преобразование DC в AC. Они используют алгоритмы отслеживания точки максимальной мощности (MPPT), которые постоянно регулируют электрическую нагрузку на панелях, чтобы извлечь максимально доступную мощность. Эта динамическая оптимизация может увеличить сбор энергии на 10–30 процентов. Современные инверторы достигают эффективности преобразования более 95% [3].

Эффективность и оптимизация

Потери энергии происходят на каждом этапе: от поглощения фотона до конечной подачи переменного тока (AC). Потери постоянного тока (DC) включают резистивные потери в проводке, потери из-за несоответствия панелей с различными характеристиками, а также потери, вызванные пылью на поверхностях панелей. Интеллектуальные системы мониторинга отслеживают генерацию, потребление и взаимодействие с сетью для оптимизации работы системы [3].

Современные солнечные элементы состоят из двух полупроводниковых слоев; когда на них падает солнечный свет, электроны получают энергию и начинают двигаться. Это движение создает электрический ток [4].

Солнечная энергия превратилась из футуристической концепции в распространенное энергетическое решение, которое питает миллионы домов и предприятий по всему миру [3]. Мощность производства солнечной электроэнергии растет с невероятной скоростью, и солнечная фотовольтаика внедряется быстрее, чем любой другой источник энергии в истории [5].