Історія та конструкція сонячних панелей

Століття вуглеводневої енергетики призвело до сумних наслідків у вигляді спеки, що спочатку створює неможливі умови для життя людей у південних країнах, але поступово добирається і до холодних регіонів і навіть льодовиків і процес протягом найближчих років вже не зупинити.
Світ прагне зменшити свою залежність від викопного палива, але ці потуги слабкі, хоча певні зрушення є і флагманом тут є сонце, фотонний потік енергії якого так і проситься, щоб його перетворили в напругу і пустили в справу. Вічне джерело енергії за мірками життя не тільки людини, а й цілих цивілізацій і навіть планет, невичерпне сонячне світло більшою чи меншою мірою доступне практично по всій земній кулі.

Однак для збору та перетворення в електрику цієї енергії потрібне спеціальне обладнання, і найчастіше використовуваним варіантом є сонячні батареї. Про них і поговоримо. Про історію, конструкцію, плюси і мінуси застосування.

Що таке сонячні панелі ?

Сонячні панелі — це пристрої, які перетворять світло на електрику. Вони називаються так, оскільки “ловлять” випромінювання сонячної радіації (у цьому контексті вона корисна !).
Якщо місця достатньо, то можна безкоштовно просто качати Кіловати потужності, що добре видно по міжпланетним станціям, місяцеходам та марсоходам. Розправив сонячні батареї і завжди з електрикою на борту. У космосі місця більш ніж достатньо, а на інших планетах та супутниках на щастя місце теж ще не застовчене за державами. Так що розпрямляй сонячні кремнієві крила і отримуй Вольти! Вимірювальні прилади живляться, тепло, освітлення – загалом електрифіковане життя за допомогою сонячної енергетики.
На Землі звичайно ситуація з доступом до Сонця дещо складніша. У частині території. Треба якось виділити місце, чи на даху знайти. І взагалі існує ніч, зима, тінь від дерев, хмари, послід від птахів і безліч інших факторів, що заважають.
Але все ж, коли йдеш вулицею або подорожуєш країною, синюваних фотоелементів в Україні стає все більше і більше…

Історія

Ми розпочали свою розповідь зі 100 років споживання нафти та газу, проте такий самий період нараховує і сонячна енергетика. Технічний рівень звичайно був далеко не такий, як зараз. Причому спочатку енергія Сонця використовувалася для нагріву води, як сонячний бойлер або для перетворення її на пару для приводу деталей машин.
Але перейдемо до історії.

1. Французький вчений Едмунд Беккерель спостерігав появу електричного струму в матеріалі, що піддається впливу світла - так званий фотогальванічний ефект. Шляхом експериментів з електролітичними осередками він встановив, що електрика, що протікає між двома платиновими електродами, покритими хлоридом або бромідом срібла, при денному світлі дещо потужніша, ніж у темряві. Вже в 19 років вчений створив перший фотогальванічний елемент, який здатний перетворювати світло на електрику.
2. У 1883 році Чарльз Фріттс розробив перший сонячний елемент, використовуючи напівпровідниковий селен, покривши його найтоншим шаром золота. Панель Фріттса також була встановлена на даху в Нью-Йорку, але її висока вартість та ефективність перетворення енергії в один відсоток (вкрай мало!) зробили її нежиттєздатною у довгостроковій перспективі.
3. Рассел Ол першим запатентував сонячні елементи, виготовлені з кремнію, а перша сонячна панель з використанням кремнієвих елементів була створена в 1954 році. Ці панелі в першу чергу призначалися для виробництва енергії для космічних кораблів, але до 1970 років вони також знайшли своє застосування і в калькуляторах.

Як світло перетворюється на електрику

Сонячна панель складається з певного шару кремнієвих елементів, металевого каркаса в скляному корпусі, навколо якого знаходиться спеціальна плівка, і з'єднань, що з'єднують компоненти один з одним, утворюючи масив. Найменші блоки всередині панелі називаються сонячними або фотогальванічними елементами, кожен з яких здатний перетворювати світло на електрику.

Таким чином, сонячна панель складається з великого масиву таких елементів, з'єднаних між собою, кожен з яких виготовлений із кремнію, другого за поширеністю матеріалу на планеті після кисню. Оскільки кремній є напівпровідником, він може діяти як ізолятор та провідник.
Усередині сонячного елемента кремній складається з двох різних шарів: P-типу, який може приймати електрони, та N-типу, який може їх віддавати.

• Кремній p-типу виробляється шляхом додавання атомів, такими елементами як бор або галій, у яких на зовнішньому енергетичному рівні на один електрон менше, ніж кремнію, що створює їх нестачу.
• Кремній n-типу складається з атомів, таких як фосфор, у яких на зовнішньому рівні на один електрон більше, ніж у кремнію. Це надлишок.

Шар N-типу розміщується до сонячного світла, а P-тип – під шаром N-типу.
Світло від Сонця надходить у вигляді квантів енергії, які називаються фотонами, що призводить до того, що шар N-типу втратить електрони і вони збираються на алюмінієвому шарі під ним. Потоки електронів створюють електричний струм, який може текти по проводах і … живити навантаження?

Постійний у змінний

Але є одна проблемка! Струм постійний. За всієї поваги до сонячних панелей, вони достатньо "тупи" і не розуміють, що нам не потрібно 100-200-300 і більше постійної напруги. По-перше, нам потрібно не більше не менше, а рівно 220 В. Причому змінної напруги. По-друге, щоб забезпечити строго 220 В, потрібно, щоб все це нестабільне сонячно-енергетичне неподобство, яке скаче в десятки разів по вольтажу від хмар, що несподівано з'являються, привести в норму.
А сонячні панелі виконують лише одну функцію – перетворення сонця на постійну напругу.
Але цього замало ! Тепер потрібен другий етап – перетворити постійну напругу, змінну 220 Вт. Як? Ідеальний варіант, який винайдено на сьогодні – гібридний інвертор для будинку, у якого, на відміну від сонячних панелей, "мозків" у рази більше.

Він керує:

1. Контролером МРРТ, відстежуючи точку максимальної потужності. Як просто пояснити – з одного боку "вичавлює" максимум навіть тоді, коли небо похмуро затягнуло хмарами, а з іншого – "зрізає" надмірну старанність панелей, коли вони зашкалюють за напругою, якщо сонце смажить на повну.
2. Літій-ферум-полімерною батареєю глибокого розряду, яка і сама не позбавлена "розуму", тобто забезпечена платою BMS, яка оберігає акумуляторні електрохімічні осередки як від розряду, так і від перегріву, перенапруги, перезаряду та інших електроенергетичних неприємностей.

Спостерігач, який прагне робити логічні висновки, обов'язково запитає:

Сонце проходить небосхилом і протягом дня віддача від сонячних батарей значно змінюється. Тобто нестабільність. Як бути, якщо панелі не рухаються ? Це ж втрати.

Відповідаємо.
Є 2 варіанти вирішення зазначеної та цілком справедливої проблеми. Що дозволить отримувати більше енергії за світловий день. Не в рази звичайно, йдеться про відсотки, але все-таки більше.