Сонячна батарея являє собою одну або кілька плоских панелей, на яких розміщені сонячні модулі, що складаються в свою чергу з осередків - фотоелементів. Така модульна структура дозволяє вибрати відповідні для конкретного випадку параметри енергопостачання, легко коригувати розміри батареї і здійснювати швидку заміну зламаних елементів.
Принцип роботи сонячних батарей
Робота сонячної батареї заснована на фотогальванічні ефекті, відкритому Олександром Едмонд Беккерелем в 1839 році. Він визначив, що енергію сонця можна трансформувати в електрику за допомогою спеціальних матеріалів-напівпровідників, названих надалі фотоелементами. Такий спосіб отримання електрики є найефективнішим, оскільки передбачає одноступінчатий перехід енергії, на відміну від методів, що включають етап термодинамічної перетворення - наприклад як в сонячних парових машинах, де струм виробляється за рахунок розширення нагрітого сонцем водяної пари, вуглекислого газу, або інших схожих термопоглощающіх речовин.
будова фотоелемента
Фотоелемент складається з двох шарів з різними типами провідності і контактів для приєднання до зовнішнього ланцюга.
Зовнішній шар, називають ще n (negative) шаром. Він характеризується електронним типом провідності, який здійснюється за рахунок руху вільних електронів, утворених в результаті руйнування зв'язків в атомі.
Внутрішній, p (positive) шар, має дірковий тип провідності. Він обумовлений наявністю в атомах місць з відсутніми електронами - «дірками». Ці «дірки» можуть вільно переміщатися за рахунок послідовного перескакування електронів ¬із атома в атом - на місці перестрибнула електрона утворюється дірка, на неї перескакує електрон із сусіднього атома, створюючи таку дірку і так далі.
На кордоні p і n шарів утворюється р-n перехід - частина електронів з n-шару переходить в p-шар, відповідно, кількість дірок в n-шарі зростає. Ця взаємна дифузія призводить до утворення контактної різниці потенціалів і «замикаючого шару», який, перешкоджає подальшому переходу електронів і дірок через кордон шарів.
Механізм дії
Сила струму в фотоелементі змінюється пропорційно кількості захоплених фотонів. Даний показник залежить від багатьох чинників: інтенсивності сонячного випромінювання, площі, яку покриває фотоелемент, термінів експлуатації і, звичайно, ККД конструкції, яка до того ж залежить від температури - при сильному нагріванні провідність фотоелемента падає.
Перший сонячний фотоелемент був створений в 1883 Чарльзом Фріттс з селену, покритого золотом. Але таке поєднання матеріалів показало невисокі результати - напівпровідник перетворював в електрику менше одного відсотка сонячного випромінювання.
Незважаючи на те, що кремній - другий за поширеністю на Землі елемент і запаси його величезні, вироби з цього матеріалу досить дорогі. Це пов'язано з трудомістким процесом очищення елемента від домішок, і, як наслідок, високою ціною на чистий кремній. Тому, зараз триває пошук нових більш дешевих матеріалів, які не поступаються за фізичними характеристиками і якістю. Перспективними вважаються фотоелементи, виготовлені із сполук міді, індію, селену, галію, кадмію.
Осередки сонячної батареї (фотоелементи), об'єднують між собою і покривають шарами захисних прозорих матеріалів зі скла, пластмаси, різних типів плівок. Ці допоміжні конструкції допомагають захистити крихкі пристрою від пошкоджень і забруднення.
Основною характеристикою сонячного модуля є пікова потужність, яка вимірюється в Ватах (Вт). Ця характеристика показує потужність модуля в оптимальних умовах - при максимальному сонячному випромінюванні 1 кВт / м2, найефективнішою температурі 25 оC і сонячному спектрі на широті 45 ° (АМ1,5). Але в звичайних умовах вдається досягти цього показника вкрай рідко - освітленість як правило нижче, а модуль нагрівається під час роботи в сонячний день набагато вище зазначеної температури - до 60-70 оC.
Завдяки модульності конструкцій батареї, її силу струму і потужність встановлюється під конкретні умови навколишнього середовища, збільшуючи або зменшуючи кількість модулів з панелі.