Přemýšleli jste někdy, jak probíhá proces přeměny sluneční energie na elektrickou energii? Jaký fyzikální jev je základem fungování všech těchto solárních článků? Vraťme se k fyzice a pochopme proces generování.
Proces přeměny sluneční energie na elektrickou je založen na jevu fotoelektrického jevu, kdy částice světla (fotony) způsobují vymrštění elektronů z polovodičového materiálu. Tyto elektrony tvoří elektrický proud, který lze použít k napájení různých zařízení.
K přeměně sluneční energie na elektrickou energii se používají speciální zařízení nazývaná fotovoltaické nebo solární články. Skládají se ze dvou vrstev polovodiče s různou vodivostí, mezi kterými je vytvořen pn přechod. Když světlo dopadá na takový prvek, vytváří potenciálový rozdíl mezi vrstvami, který se nazývá fotoelektrické emf.
Zapojením více solárních článků do sériového nebo paralelního obvodu lze získat vyšší napětí nebo proud. Takové obvody se nazývají solární panely nebo panely. Mohou být instalovány na střechách, stěnách, zemi nebo speciálních konstrukcích, které se otáčejí podle slunce.
Solární panely jsou napojeny na regulátor nabíjení, který reguluje proud a napětí z nich vycházející. K baterii je připojen i regulátor nabíjení, který ukládá elektrickou energii a v případě potřeby ji uvolňuje.
Baterie produkuje konstantní proud, což je vhodné pro některá zařízení, ale ne pro všechna. K přeměně stejnosměrného proudu na střídavý se proto často používá invertor, který je vhodný pro většinu domácích spotřebičů. Tímto způsobem se sluneční energie přeměňuje na elektrickou energii a lze ji využít k různým účelům.
Další informace o tom, jak probíhá proces přeměny sluneční energie na elektrickou energii, čtěte dále v článku.
Mnoho z nás se tak či onak setkalo se solárními články. Někdo používal nebo používá solární panely k výrobě elektřiny pro domácí účely, někdo používá malý solární panel k nabíjení svého oblíbeného gadgetu v terénu a někdo jistě viděl malý solární článek na mikrokalkulátoru. Někteří měli dokonce to štěstí, že navštívili solární elektrárnu.
Od samého počátku je zřejmé, že zdrojem energie je zde sluneční světlo, neboli vědecky řečeno elektrická energie se získává díky fotonům slunečního záření. Tyto fotony si lze představit jako proud elementárních částic nepřetržitě se pohybujících od Slunce, z nichž každá má energii, a proto celý světelný proud nese nějaký druh energie.
Z každého čtverečního metru povrchu Slunce je nepřetržitě vyzařováno 63 MW energie ve formě záření! Maximální intenzita tohoto záření spadá do oblasti viditelného spektra – vln o délce od 400 do 800 nm.
Vědci tedy zjistili, že hustota energie toku slunečního světla ve vzdálenosti od Slunce k Zemi 149600000 900 XNUMX kilometrů, po průchodu atmosférou a po dosažení povrchu naší planety, je v průměru přibližně XNUMX W na metr čtvereční.
Zde můžete tuto energii vzít a pokusit se z ní získat elektřinu, tedy přeměnit energii světelného toku Slunce na energii pohybujících se nabitých částic, jinými slovy na elektrický proud.
K přeměně světla na elektřinu potřebujeme fotovoltaický měnič. Takové konvertory jsou velmi běžné, jsou volně prodejné, jedná se o tzv. solární články – fotoelektrické konvertory ve formě waferů vyřezaných z křemíku.
Nejlepší jsou monokrystalické, ty mají účinnost cca 18%, to znamená, pokud má tok fotonů ze slunce hustotu energie 900 W/m160, tak počítejte s příjmem XNUMX W elektřiny na metr čtvereční baterie sestavená z takových článků.
Funguje zde fenomén zvaný „fotografický efekt“. Fotoelektrický jev nebo fotoelektrický jev je jev emise elektronů látkou (jev vyvržení elektronů z atomů látky) pod vlivem světla nebo jiného elektromagnetického záření.
V roce 1900 Max Planck, otec kvantové fyziky, navrhl, že světlo je vyzařováno a absorbováno v jednotlivých částech neboli kvantech, což později, konkrétně v roce 1926, chemik Gilbert Lewis nazval „fotony“.
Každý foton má energii, kterou lze určit vzorcem E = hv – Planckova konstanta vynásobená frekvencí záření.
V souladu s myšlenkou Maxe Plancka se fenomén objevený v roce 1887 Hertzem a poté důkladně prostudovaný v letech 1888 až 1890 Stoletovem stal vysvětlitelným. Alexander Stoletov experimentálně studoval fotoelektrický jev a stanovil tři zákony fotoelektrického jevu (Stoletovovy zákony):
- Při konstantním spektrálním složení elektromagnetického záření dopadajícího na fotokatodu je saturační fotoproud úměrný energetickému osvětlení katody (jinými slovy: počet fotoelektronů vyražených z katody za 1 s je přímo úměrný intenzitě záření) .
- Maximální počáteční rychlost fotoelektronů nezávisí na intenzitě dopadajícího světla, ale je určena pouze jeho frekvencí.
- Pro každou látku existuje červená mez fotoelektrického jevu, tedy minimální frekvence světla (v závislosti na chemické povaze látky a stavu povrchu), pod kterou je fotoelektrický jev nemožný.
Později, v roce 1905, Einstein objasnil teorii fotoelektrického jevu. Ukáže, jak kvantová teorie světla a zákon zachování a přeměny energie dokonale vysvětlují, co se děje a co je pozorováno. Einstein sepsal rovnici fotoelektrického jevu, za kterou dostal v roce 1921 Nobelovu cenu:
Pracovní funkce A je zde minimální práce, kterou musí elektron vykonat, aby opustil atom látky. Druhý člen je kinetická energie elektronu po výstupu.
To znamená, že foton je absorbován elektronem atomu, díky čemuž se kinetická energie elektronu v atomu zvýší o množství energie absorbovaného fotonu.
Část této energie je vynaložena na elektron opouštějící atom, elektron opouští atom a je schopen se volně pohybovat. A směrově se pohybující elektrony nejsou nic jiného než elektrický proud nebo fotoproud. V důsledku toho můžeme mluvit o výskytu EMF v látce v důsledku fotoelektrického jevu.
Solární baterie tedy funguje díky fotoelektrickému jevu, který v ní působí. Kam ale jdou „vyřazené“ elektrony ve fotovoltaickém měniči? Fotoelektrický konvertor nebo solární článek nebo fotočlánek je polovodič, proto k fotoelektrickému jevu dochází neobvyklým způsobem, je to vnitřní fotoefekt a má dokonce zvláštní název „fotoefekt hradla“.
Vlivem slunečního záření dochází k fotoelektrickému jevu v pn přechodu polovodiče a vzniká emf, ale elektrony neopouštějí fotočlánek, vše se děje v blokovací vrstvě, kdy elektrony opouštějí jednu část těla, přesouvají se do jiné části toho.
Křemík v zemské kůře tvoří 30 % její hmoty, proto se všude používá. Zvláštností polovodičů obecně je, že nejsou vodiče ani dielektrika, jejich vodivost závisí na koncentraci nečistot, na teplotě a na vystavení záření.
Pásmová mezera v polovodiči je několik elektronvoltů, a to je právě energetický rozdíl mezi horní úrovní valenčního pásma atomů, ze kterého elektrony unikají, a spodní úrovní vodivostního pásma. Křemík má zakázané pásmo 1,12 eV, což je přesně to, co je potřeba k absorpci slunečního záření.
Takže, pn křižovatka. Dopované vrstvy křemíku ve fotočlánku tvoří pn přechod. Zde vzniká pro elektrony energetická bariéra, opouštějí valenční pásmo a pohybují se pouze jedním směrem, díry se pohybují opačným směrem. Takto vzniká proud v solárním článku, tedy elektřina ze slunečního záření.
Pn přechod vystavený fotonům neumožňuje nosičům náboje – elektronům a dírám – pohybovat se v jiném než jednom směru; oddělují se a končí na opačných stranách bariéry. A je-li fotovoltaický měnič připojen k zátěžovému obvodu prostřednictvím horní a spodní elektrody, při vystavení slunečnímu záření vytvoří ve vnějším obvodu konstantní elektrický proud.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Slunce a fotovoltaické moduly (SPEM – solární panely).
Tento způsob výroby elektřiny je založen na sluníčko, pojmenované v učebnicích jako sluneční záření, sluneční záření, světelný tok nebo tok elementárních částic – Fotony. Pro nás je to zajímavé, protože stejně jako pohybující se proud vzduchu má i proud světla energii! Ve vzdálenosti jedné astronomické jednotky (149 597 870,66 km) od Slunce, kde se nachází naše Země, je hustota toku slunečního záření 1360 W/m2. A po průchodu zemskou atmosférou ztrácí proudění svou intenzitu odrazem a absorpcí a na zemském povrchu je již ~ 1000 W/m2. Zde začíná naše práce: využít energii světelného toku a přeměnit ji na energii, kterou potřebujeme v každodenním životě – elektrickou.
Záhada této přeměny nastává na malém pseudočtverci se zkosenými rohy, který je vyříznut z křemíkového válce (obr. 2), o průměru 125 mm a jmenuje se fotoelektrický konvertor (PV). Jak?
Odpověď na tuto otázku dostali fyzici, kteří objevili takový jev, jako je fotoelektrický jev. Fotoelektrický jev je jev, kdy jsou elektrony vyvrženy z atomů látky pod vlivem světla.
V roce 1900 Německý fyzik Max Planck navrhl hypotézu: světlo je vyzařováno a absorbováno v oddělených částech – kvanta (nebo fotony). Energie každého fotonu je určena vzorcem: E = h∙ν(popel nahý) kde h — Planckova konstanta rovna 6,626 × 10-34 J∙s, ν — frekvence fotonů. Planckova hypotéza vysvětlila fenomén fotoelektrického jevu, který objevil v roce 1887 německý vědec Heinrich Hertz a experimentálně studoval ruský vědec Alexander Grigorievich Stoletov, který shrnutím získaných výsledků stanovil následující: tři zákony fotoelektrického jevu:
- Při konstantním spektrálním složení světla je síla saturačního proudu přímo úměrná světelnému toku dopadajícímu na katodu.
- Počáteční kinetická energie elektronů vyvržených světlem roste lineárně s rostoucí frekvencí světla a nezávisí na jeho intenzitě.
- K fotoelektrickému jevu nedochází, pokud je frekvence světla menší než určitá hodnota charakteristická pro každou látku, nazývaná červený limit.
Teorii fotoelektrického jevu, která objasňuje záhadu, která panuje ve fotovoltaickém článku, vyvinul německý vědec Albert Einstein v roce 1905 a vysvětlil zákony fotoelektrického jevu pomocí kvantové teorie světla. Na základě zákona zachování a přeměny energie sepsal Einstein rovnici pro energetickou bilanci během fotoelektrického jevu:
kde: h∙ν – fotonová energie, А – pracovní funkce – minimální práce, kterou je třeba vykonat, aby z atomu látky odešel elektron. Ukazuje se tedy, že částice světla – foton – je absorbována elektronem, který získává další kinetickou energii ½ m∙v 2 a vykonává práci opuštění atomu, což mu dává možnost volně se pohybovat. A usměrněný pohyb elektrických nábojů je elektrický proud, nebo, správněji řečeno, v látce vzniká elektromotorická síla – E.M.F.
Einsteinovi byla v roce 1921 udělena Nobelova cena za rovnici pro fotoelektrický jev.
Když se vrátíme z minulosti do současnosti, vidíme, že „srdcem“ solární baterie je FEP (polovodičový fotočlánek), ve kterém se realizuje úžasný zázrak přírody – Valve PhotoEffect (VPE). Spočívá ve vzhledu elektromotorické síly v pn přechodu pod vlivem světla. VFE, popř fotoelektrický jev v bariérové vrstvě, je jev, při kterém elektrony opouštějí těleso, procházejí rozhraním do jiného pevného tělesa (polovodiče).
Polovodiče – jedná se o materiály, které svou měrnou vodivostí zaujímají střední polohu mezi vodiči a dielektriky a od vodičů se liší silnou závislostí měrné vodivosti na koncentraci nečistot, teplotě a různých typech záření. Polovodiče jsou látky, jejichž zakázané pásmo je řádově několik elektronvoltů [eV]. Pásmová mezera je rozdíl v energiích elektronů v polovodičovém krystalu mezi spodní úrovní vodivostního pásma a horní úrovní valenčního pásma polovodiče.
Mezi polovodiče patří mnoho chemických prvků: germanium, křemík, selen, tellur, arsen a další, obrovské množství slitin a chemických sloučenin (arsenid gallia atd.) Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík, tvoří asi 30 % zemské kůry.
Křemík byl předurčen stát se materiálem pro sluneční energii díky svému rozšířenému výskytu v přírodě, jeho lehkosti a vhodnému zakázanému pásmu 1,12 eV pro absorpci energie ze slunečního světla. Dnes jsou na trhu komerčních pozemních systémů nejvýraznější krystalický křemík (asi 90 % celosvětového trhu) a tenkovrstvé solární články (asi 10 % trhu).
Klíčovým prvkem v konstrukci krystalických křemíkových fotovoltaických konvertorů (PVC) je pn přechod. Ve zjednodušené formě lze solární článek znázornit jako „sendvič“: skládá se z vrstev křemíku dopovaných tak, aby vytvořily pn přechod.
Jednou z hlavních vlastností pn přechodu je jeho schopnost být energetickou bariérou pro proudové nosiče, to znamená umožnit jim průchod pouze jedním směrem. Právě na tomto efektu je založena tvorba elektrického proudu v solárních článcích. Záření dopadající na povrch prvku generuje nosiče náboje s různými znaky v objemu polovodiče – elektrony (n) a díry (p). Pn přechod je díky svým vlastnostem „odděluje“, umožňuje každému typu projít pouze svou „vlastní“ polovinou a nosiče náboje pohybující se chaoticky v objemu prvku končí na opačných stranách bariéry, po které se mohou být přeneseny do vnějšího obvodu, aby se vytvořilo napětí napříč zátěží a elektrický proud v uzavřeném okruhu připojeném k solárnímu článku.
