Як сонячна енергія перетворюється на електрику. Сонячне фотоелектричне перетворення

Як сонячна енергія перетворюється на електрику?

Алора Бопрай. продюсер цифрового контенту для категорій “Гарантія на будинок”, “ОВіК” та “Сантехніка” в Today’s Homeowner. Вона отримала ступінь бакалавра психології в Університеті Сент-Ендрюс у США. Схоластика та її ступінь магістра Денверського університету. До того, як стати автором журналу Today’s Homeowner, Алора писала як позаштатний автор для десятків клієнтів, що займаються благоустроєм будинків, а також інформувала домовласників про сонячну енергетику в якості автора журналу EcoWatch. Коли вона не пише, Алора планує свій наступний проект з покращення будинку або пише свій наступний роман.

Роксана Даунер. комерційний редактор журналу Today’s Homeowner, де вона займається усіма питаннями. від ремонту фундаменту до встановлення сонячних панелей. Вона використовує більш ніж 15-річний досвід написання та редагування текстів у своєму ретельному підході до забезпечення точного, актуального та цікавого контенту. Раніше вона працювала редактором у таких виданнях, як MSN, Architectural Digest та Better Homes Gardens. Випускниця Пенсильванського університету, Роксана зараз є власницею будинку в Оклахомі, ентузіасткою “зроби сам” і гордою матір’ю грайливого мопса.

26 квітня 2023 6 грудня 2022

сонячна, енергія, перетворюється, електрику

Вивчаємо науку, що стоїть за фотоелектрикою

Сонячні панелі перетворюють світло на електрику. Це складний процес, який включає фізику, хімію та електротехніку. Оскільки сонячні панелі стають все більш важливою частиною боротьби з викопним паливом, життєво важливо дізнатися, як саме сонячна панель перетворює сонячне світло в корисну енергію. Цікаво, що ті ж самі концепції, які дозволяють сонячним панелям забезпечувати енергією наші будинки, також є рушійною силою технологічної революції. Секрет криється в кремнієвій пластині, будівельному блоці сучасної електроніки.

Простіше кажучи, сонячне світло потрапляє на панель і збуджує електрони в кристалі кремнію. Фотони дають електронам достатньо енергії, щоб вільно рухатися крізь кремній. Кремнієву пластину наповнюють домішками, щоб створити природне електричне поле, яке спрямовує рух електронів. Металеві решітки на сонячній батареї вловлюють електричну енергію і транспортують її до вашого інвертора, а потім до вашого будинку.

сонячна, енергія, перетворюється, електрику

Що таке енергія?

Нам потрібна енергія, щоб виконувати роботу. Незалежно від того, чи рухається наше тіло, чи вирощується урожай, чи живиться наш дім, енергія живить наш світ. Енергія може приймати різні форми, включаючи світло, рух, електрику, хімічні реакції та тепло. Перший закон термодинаміки стверджує, що енергія не може бути створена або знищена, вона може лише змінювати форму. Це є невід’ємною частиною проблеми потреб людства, оскільки енергія сама по собі є надлишковою, але часто не існує у формі, яку можна безпосередньо застосувати.

Коли ми встановлюємо сонячні панелі, ми використовуємо світлову енергію сонця. Коли світло потрапляє на поверхню напівпровідникового матеріалу, відбувається реакція, яка перетворює світлову енергію в електричну. Але оскільки сонячні панелі не ефективні на 100%, частина цієї світлової енергії перетворюється на тепло.

Після того, як енергія перетворюється на електрику, металеві дроти на панелі переносять електрику з панелі до вашого акумулятора. Потім енергія перетворюється на хімічну енергію, де вона зберігається до тих пір, поки не буде готова бути перетвореною назад в електрику для побутового використання.

Фотоелектричний ефект

Фотоелектричний ефект дозволяє вловлювати сонячне світло і перетворювати його в електричну енергію. Явище було відкрито французьким фізиком Едмоном Беккерелем у 1839 році, коли він експериментував у лабораторії свого батька з платиновими електродами в розчині електроліту. Він помітив, що при освітленні розчину світлом електричний струм посилюється. Перша сонячна батарея на даху з’явилася незабаром після цього.

Світло складається з фотонів, які переносять енергію. Енергія фотона пропорційна частоті світла. Фотоелектричний ефект спрацьовує, коли фотони потрапляють на фотоелектричну поверхню, яка поглинає енергію фотона і збуджує електрони всередині матеріалу. Електричний струм створюється, коли стимулюється достатня кількість електронів. Залежно від матеріалу, частота, необхідна для запуску ефекту, може змінюватися. У фотоелектричних сонячних панелях напівпровідники є фотоелектричним середовищем, яке використовується для перетворення сонячного світла в електрику.

Напівпровідники

Напівпровідник. це матеріал, який проводить електрику більше, ніж ізолятор, наприклад, скло або дерево, але менше, ніж провідник, наприклад, мідь або золото. Провідність напівпровідників можна змінювати за допомогою легування або додавання домішок, щоб досягти значення провідності, яке відповідає потребам конкретного застосування. Їх можна знайти в комп’ютерах, автомобілях, смартфонах і побутових приладах. Кремній. найпоширеніший напівпровідник, який зазвичай має форму кремнієвих пластин. Поява кристалічного кремнію стала головним рушієм цифрової революції останніх 50 років, звідси і використання терміну Силіконова долина для позначення району затоки, де розташовані найбільші світові технологічні компанії.

Пластини можуть бути позитивно леговані (p-типу) або негативно леговані (n-типу). p-тип і n-тип можуть навіть існувати в одному кристалі, як у випадку з фотоелектричними панелями. У p-типу є атоми, яким не вистачає електронів, так звані електронні дірки, тоді як у n-типу є атоми, які мають надлишок електронів. Електрони та дірки в сукупності називаються носіями заряду. Вони зустрічаються в прикордонному шарі всередині кристала, який називається p-n переходом.

сонячна, енергія, перетворюється, електрику

Кристалічна структура кремнієвих пластин є невід’ємною частиною його функції. У кристалічній решітці електрони зв’язані на місці і не можуть вільно рухатися. Коли вхідна енергія збуджує електрони до достатніх енергетичних рівнів, вони здатні вирватися на свободу і рухатися по всій структурі кристалічної решітки. Потім електрони дифундують через p-n перехід, заповнюючи електронні дірки і нейтралізуючи обидва носії заряду. Це створює область нейтрального матеріалу, яка називається зоною виснаження. Зрештою, рух до p-n переходу досягає стану рівноваги, і навколо зони виснаження утворюється електричне поле. Межа з n-сторони стає позитивно зарядженою, а межа з p-сторони. негативно зарядженою, створюючи силу, яка діє протилежно руху до p-n переходу. Це зупиняє потік електронів через p-n перехід, і пластина залишається в цьому рівноважному стані, поки рівень енергії в системі не зміниться.

Напівпровідники обмежені шириною забороненої зони. діапазоном енергій, в якому рух електронів не відбувається. Світлова енергія, що потрапляє на поверхню сонячної панелі, повинна бути вище ширини забороненої зони напівпровідника, інакше електрика не буде вироблятися.

Як і в електроніці, кремній є найпоширенішим напівпровідником для сонячних панелей. Кремнієві панелі бувають трьох типів:

У фотоелектричній промисловості використовуються ще кілька типів напівпровідників, хоча вони, як правило, менш поширені. Нижче перераховано кілька типів.

  • Телурид кадмію (CdTe)
  • Селенід міді індію галію (CIGS)
  • Арсенід галію (GaAs)

Хоча ця стаття зосереджена на механізмі роботи кремнієвих сонячних панелей, більшість напівпровідників працюють за тими ж принципами.

Сонячне світло на електрику

Тепер, коли ми розглянули різні концепції та процеси, які дозволяють вашим сонячним панелям генерувати електроенергію, давайте детальніше розглянемо, що насправді відбувається всередині фотоелектричного масиву.

Ви прокидаєтеся вранці, а сонце піднімається над горизонтом. Коли ви прокидаєтеся вранці, сонячне світло омиває ваш дах, приносячи енергію у ваш будинок. Сонце має широкий енергетичний спектр і випромінює фотони в широкому діапазоні значень енергії. Пам’ятайте, що фотоелектричні напівпровідники мають заборонену зону, і фотони, що потрапляють на поверхню ваших панелей, повинні бути вище забороненої зони, щоб стимулювати провідність матеріалу.

Коли фотон взаємодіє з сонячною панеллю, може статися одна з трьох речей:

  • Фотони можуть відбиватися від поверхні панелі.
  • Якщо рівень енергії фотона нижче забороненої зони, він пройде прямо крізь панель.
  • Якщо енергетичний рівень фотона знаходиться на рівні або вище забороненої зони, він буде взаємодіяти з напівпровідником.

Архітектура сонячного елемента відіграє важливу роль у русі електронів. Шар, легований n, дуже тонкий і розміщений безпосередньо під склом, поверх набагато товстішого шару, легованого p. Це означає, що сонячне світло проникає з n-сторони і досягає p-n переходу. Збільшена товщина p-сторони також створює набагато більшу зону виснаження, ніж якби вони були рівними за розміром. Енергія фотонів передається електронам, надаючи їм енергію для переміщення через зону збіднення в р-область. Електрони рекомбінують з електронними дірками на p-стороні, в той час як сонячне світло постійно стимулює нові електронно-діркові пари в зоні збіднення. Цей постійний рух є джерелом електричного струму. Кремній залишається в цьому електрично зарядженому стані до тих пір, поки сонце потрапляє на панель. Коли сонце заходить, кремній повертається до свого рівноважного стану, і зона виснаження повертається до своєї початкової ширини.

У той час як зона виснаження перешкоджає генерації електричного струму, енергія, що надходить від сонячного світла, дає носіям заряду достатньо енергії для подолання нейтрального шару. Оскільки багато фотонів, які взаємодіють з кремнієм, мають енергію, вищу за ширину забороненої зони, надлишкова енергія розсіюється у вигляді тепла.

Оскільки електрони можуть вільно рухатися крізь кремній, все, що потрібно. це шлях, по якому електрична енергія зможе вийти з панелі. Кожен сонячний елемент має два набори металевих сітчастих ліній, з’єднаних з його поверхнею, які називаються пальцями та шинами. Електроенергія збирається в пальцях, які є дуже тонким набором металевих решіток, що проходять вгору і вниз по сонячній батареї. Пальці направляють електроенергію до шин, які проходять перпендикулярно до пальців. Шини набагато товщі за пальці, і більшість сонячних елементів мають дві шини, що охоплюють всю довжину елемента.

Шини з’єднані мідними дротами з тильною стороною наступного сонячного елемента, і вони послідовно з’єднані один з одним, виробляючи електроенергію і проганяючи її вниз по послідовності елементів. Кілька рядів елементів потім з’єднуються паралельно один одному, утворюючи сонячну панель. Потім сонячна панель з’єднується з кількома іншими панелями, створюючи сонячну батарею.

Фотоелектричні процеси генерують постійний струм, тому для перетворення постійного струму в змінний потрібен інвертор. Потім електроенергія зберігається в акумуляторі, де енергія зберігається у вигляді хімічних зв’язків до тих пір, поки вона не буде готова до розрядки.

Висновок

У той час як людство століттями використовувало сонячну енергію у вигляді тепла, сонячні фотоелементи дозволили нам безпосередньо використовувати сонячні промені. Хоча технологія розвивалася повільно, ідея використання сонячного світла для отримання енергії зробила революцію в енергетичній галузі. Перспектива відмови від викопного палива на користь безмежної енергії сонця змінила наше уявлення про електрику. Фотоелектричні панелі використовують унікальні властивості кремнієвих напівпровідників для перетворення світлової енергії в електричну. Фізичні та хімічні властивості кристалізованого кремнію дозволяють матеріалу реагувати на світло таким чином, що він генерує електричний заряд. Металеві лінії електромереж переносять електричну енергію від панелі до вашого будинку. Це складний процес, який потенційно може забезпечити енергією омиті сонцем міста по всьому світу.

Часті запитання

Як сонячна панель виробляє електроенергію?

Сонячні панелі містять шари кристалізованих кремнієвих пластин з позитивним і негативним зарядом, які створюють електричне поле. Коли сонячне світло потрапляє на панель, фотони вибивають електрони з кристалічної решітки і надають їм достатньо енергії для вільного руху. Вони притягуються до позитивно зарядженої сторони кристалу, створюючи електричний струм.

Чому напівпровідники використовуються в сонячних панелях?

Напівпровідники мають цікаві властивості, які дозволяють їм змінювати свою провідність, змінюючи рівень енергії в системі, наприклад, коли світло потрапляє на їхню поверхню. Їх можна легувати або вводити домішки, щоб вони відповідали конкретному застосуванню. Це робить їх дуже універсальними не тільки для фотоелектрики, але й для мікропроцесорів та друкованих плат.

Що таке допінг?

Допінг. це додавання домішок у кристал кремнію. У фотоелектричних панелях кремній легується, щоб зробити одну сторону пластини позитивно зарядженою (p-типу), а іншу. негативно зарядженою (n-типу). Це створює електричне поле, яке керує рухом електронів, коли світло потрапляє на поверхню панелі.

Чому сонячні панелі мають металеві решітки?

Металеві решітки на фотоелектричних панелях слугують для захоплення та транспортування електричного струму від сонячної батареї до вашого будинку. Маленькі металеві контакти називаються пальцями, і вони вловлюють електроенергію безпосередньо від сонячної батареї. Пальці проводять струм до шин, двох металевих ліній, які перерізають сонячну батарею перпендикулярно до пальців. Шини передають електроенергію від сонячної батареї до інвертора.

Алора Бопрай. виробник цифрового контенту для категорій домашньої гарантії, HVAC та сантехніки в Today’s Homeowner. Вона отримала ступінь бакалавра психології в Університеті Сент-Джорджа. Scholastica та її ступінь магістра Денверського університету. До того, як стати автором журналу Today’s Homeowner, Алора писала як позаштатний автор для десятків клієнтів, що займаються ремонтом будинків, а також інформувала домовласників про сонячну енергетику як автор журналу EcoWatch. Коли вона не пише, Алора планує свій наступний проект з покращення житла, зроблений своїми руками, або пише свій наступний роман.

Роксана Даунер. комерційний редактор у Today’s Homeowner, де вона займається всім, від ремонту фундаменту до встановлення сонячних панелей. Вона використовує більш ніж 15-річний досвід написання та редагування у своєму ретельному підході до забезпечення точного, актуального та цікавого контенту. Раніше вона працювала редактором у таких виданнях, як MSN, Architectural Digest та Better Homes Gardens. Випускниця Пенсильванського університету, Роксана зараз є власницею будинку в Оклахомі, ентузіасткою “зроби сам” і гордою матір’ю грайливого мопса.

Технології, застосування та вплив на навколишнє середовище

1-е видання. 17 липня 2020 року

Редактори: Шива Горджян, Ашіш Шукла

Фотоелектричне перетворення сонячної енергії. Технології, застосування та вплив на навколишнє середовище містить вичерпні та сучасні знання про фотоелектричну сонячну енергію Читати далі

Заощаджуйте 50% на комплектах книг

Негайно завантажуйте електронну книгу, поки чекаєте на доставку друкованої версії. Промокод не потрібен.

Фотоелектричне перетворення сонячної енергії. Технології, застосування та вплив на навколишнє середовище містить вичерпні та сучасні знання про фотоелектричну технологію перетворення сонячної енергії та описує її різні аспекти в контексті останніх наукових і технологічних досягнень. Він також дає уявлення про майбутні розробки в цій галузі, висвітлюючи чотири окремі теми: фотоелементи та модулі, застосування фотоелектричних систем, життєвий цикл та вплив на навколишнє середовище, а також ринок та політика у сфері фотоелектричних систем.

  • Сучасний довідник про досягнення технології фотоелектричного перетворення сонячної енергії
  • Всебічно описує різні аспекти фотоелектричних та фотовольтаїчних технологій
  • Надає інформацію про проектування, розробку та моніторинг фотоелектричних систем
  • Висвітлює застосування фотоелектричних та фотоелектричних систем у міському, промисловому та сільськогосподарському секторах
  • Висвітлено нові концепції, вплив на навколишнє середовище, ринок та політику фотоелектричних технологій

Інженери, практикуючі фахівці в промисловості та дослідники, які працюють над розвитком і застосуванням сонячної фотоелектрики

Шива Горджян, Хоссейн Ебаді

Розділ 2: Технології сонячних елементів 27

Гітам Річхарія, Аніл Кумар, Самшер

Розділ 3: Технології сонячних фотоелектричних модулів 51

Наллапанені Манодж Кумар, Шаурат С. Чопра, Аліне Кірстен Відал де Олівейра, Хамса Ахмед, Шима Ваезі, Узома Едвард Мадуканья, Хуан М. Кастанон

Розділ 4: Технології сонячних фотоелектричних термальних (PVT) модулів 79

Махді Шакурі, Хоссейн Ебаді, Шива Горджян

Розділ 5: Проектування та моніторинг сонячних фотоелектричних систем

Мохаммадреза Агаей, Наллапанені Манодж Кумар, Ареф Ескандарі, Хамса Ахмед, Аліне Кірстен Відал де Олівейра, Шаурат С. Чопра

Розділ 6: Застосування сонячних фотоелектричних систем на фермах 147

Шива Горджян, Рену Сінгх, Ашіш Шукла, Абдур Рехман Мажар

Розділ 7: Застосування сонячних фотоелектричних систем у сільськогосподарській автоматизації та робототехніці

Шива Горджян, Саїд Мінаї, Ладан Малех-Мірчегіні, Макс Троммсдо, REDMOND R. Шамшірі

Розділ 8: Застосування сонячних фотоелектричних систем в технологіях опріснення води

Шива Горджян, Барат Гобадіан, Хоссейн Ебаді, Фаезех Кетабчі, Сабер Ханмохаммаді

Розділ 9: Застосування сонячних фотоелектричних систем у виробництві водню

Франческо Калізе, Франческо Ліберато Каппелло, Марія Вічідоміні

Розділ 10: Сонячні фотоелектричні електростанції

Mohammadreza Aghaei, Aref Eskandari, Shima Vaezi, Shauhrat S. Чопра

Розділ 11: Нові концепції та застосування сонячних фотоелектричних систем

Mohammadreza Aghaei, Hossein Ebadi, Aline Kirsten Vidal de Oliveira, Shima Vaezi, Aref Eskandari, Juan M. Кастанон

Розділ 12: Оцінка життєвого циклу та впливу сонячних фотоелектричних систем на навколишнє середовище

Nallapaneni Manoj Kumar, Shauhrat S. Чопра, Прамод Раджпут

Розділ 13: Ринок сонячних фотоелектричних систем та політика

Хюн Джин Джулі Ю, Патріс Джеффрон

Шива Горджян

Доктор. Шива Горджян. доцент кафедри біосистемної інженерії сільськогосподарського факультету та кафедри відновлюваної енергетики факультету міждисциплінарних наук і технологій в Університеті Тарбіат Модарес (TMU), Тегеран, Іран. Отримала ступінь доктора філософії з механіки біосистемної інженерії в TMU в 2014 році. Вона є редактором книги “Фотоелектричне перетворення сонячної енергії: Технології, застосування та вплив на навколишнє середовище (Elsevier, 2020). Основна сфера її досліджень. застосування відновлюваних джерел енергії в сільському господарстві (AgroRenewables). Вона була провідним запрошеним редактором спеціального випуску на цю ж тему в Journal of Sustainable Energy Technologies and Assessments (Elsevier) у 2021 році. Доктор. Дослідницькі інтереси Горджана включають сонячну фотоелектрику, технології сонячного опріснення води, гібридні фотоелектричні системи, аналіз енергії та ексергії, а також моделювання та імітацію систем відновлюваної енергетики.

Доцент, кафедра біосистемної інженерії, сільськогосподарський факультет та кафедра відновлюваної енергетики, факультет міждисциплінарних наук і технологій, Університет Тарбіат Модарес (TMU), Тегеран, Іран.

Ашіш Шукла

Д-р. Ашіш Шукла отримав ступінь доктора філософії в Індійському технологічному інституті, Делі. Він отримав престижну стипендію FCS для роботи в Швейцарському федеральному технологічному інституті, Цюріх, на кафедрі архітектури. В даний час він є доцентом кафедри будівельної фізики в Університеті Ковентрі у Великій Британії (Великобританія). Він є видатним фізиком-будівельником та експертом з питань сталого розвитку. Його наукові інтереси. будівельна фізика, енергоменеджмент, енергогенеруючі огороджувальні конструкції та зберігання енергії. Його бачення полягає в тому, щоб проектувати саморозвиваючі кліматично стійкі будівлі, що реагують на зміни клімату, за допомогою інтегрованого проектування будівель, щоб привнести нові низьковуглецеві інновації в практику будівництва на місці. Він також є членом Академії вищої освіти у Великобританії.

Центр антропогенного та природного середовища, факультет інженерії, екології та комп’ютерних наук, Університет Ковентрі, Ковентрі, Велика Британія

Перетворення сонячної енергії: Посібник для початківців

сонячна, енергія, перетворюється, електрику

Акшай ВР. 12 лютого 2022

Досягнення вуглецевої нейтральності стало важким викликом і завданням для світової цивілізації в боротьбі зі зміною клімату. Тим часом, це фантастичний шанс для декарбонізації, пом’якшення кліматичних ризиків та прискорення переходу до майбутнього відновлюваної енергетики. Будемо сподіватися, що безліч орієнтованих на майбутнє темних технологій швидко виникне і розшириться. Зокрема, товари для перетворення сонячної енергії увійшли в сучасне життя і стали життєво важливою критичною ланкою в низьковуглецевому циклі та зеленому зростанні. Багато роботи було зроблено для створення комплексної стійкої системи, заснованої на перетворенні сонячної енергії, і широко визнано, що розробка передових матеріалів є основою для досягнення високоефективного, недорогого перетворення та використання сонячної енергії.

Системи перетворення сонячної енергії на основі напівпровідників на основі кремнію в останні роки широко застосовуються у всьому світі, а фотоелектричні та штучні фотосинтетичні системи, що використовують традиційні матеріали та архітектуру, стають все більш зрілими. Однак через значне забруднення, яке створюють кристалічні кремнієві модулі в процесі виробництва, а також відносно низьку теоретичну ефективність перетворення напівпровідників на основі кремнію, було запропоновано низку унікальних фотоелектричних матеріалів і технологій. Особливий інтерес викликали органічні та перовскітні сонячні елементи, зокрема. З тих пір, як на рубежі століть діапазон сприйнятливості сонячного спектру розширився з ультрафіолетової до видимої області, фотосинтетична діяльність Сонця викликала інтерес дослідників у галузі фізики, хімії, матеріалів та енергетики. Завдяки постійному розвитку каталітичної теорії, зростанню кількості матеріальних систем, підвищенню квантової ефективності та розширенню діапазону застосування фотосинтез став основною сферою каталітичної хімії та енергетичних матеріалів.

Щоб дізнатися більше такого дивовижного контенту, слідкуйте за нашою сторінкою в LinkedIn.

Принцип перетворення сонячної енергії:

Сонце випромінює величезну кількість радіації. Сонячне випромінювання може бути перетворене в різні види енергії за допомогою різних методів. Сонячне випромінювання може бути безпосередньо перетворене в електрику, перетворене в тепло і використане в біохімічних процесах. Його також можна використовувати безпосередньо для засмаги, якщо розуміти ризики. Фотоелектричний (PV) ефект дозволяє безпосередньо перетворювати сонячне світло в енергію в сонячних елементах. Фотоелектричне перетворення буде відбуватися тільки в пристрої, який має дві необхідні характеристики,

Спочатку сонячна батарея повинна зібрати сонячне випромінювання і перетворити теплову енергію сонця в хімічну енергію всередині пристрою. Коли світло поглинається, електрони стимулюються до вищих енергетичних рівнів, що дозволяє тимчасово зберігати хімічну енергію. В електричному потенціалі збуджені електрони діють як носії заряду (струму).

По-друге, електричний опір сонячного елемента повинен бути асиметричним. Це створює електричний потенціал (напругу) на пристрої під дією сонячного світла, який визначається хімічною енергією, що зберігається в електронній популяції. Сонячний елемент може забезпечити значущу електричну роботу для опору навантаження таким чином.

Типи перетворення сонячної енергії:

Фотоелектричний ефект: Одним з найпоширеніших видів перетворення сонячної енергії є пряме виробництво електроенергії. Фотоелектричний ефект. це метод перетворення денного світлового випромінювання (фотонів, частинок світла) безпосередньо в електрику (електрони, частинки електрики). Сонячні панелі широко використовуються як у домогосподарствах, так і на комунальних електростанціях для виробництва сонячної енергії. Корпорації та науково-дослідні інститути шукають кращі способи створення більш економічно ефективних сонячних панелей. Щоб отримати більшу потужність, великі електростанції використовують дзеркала або лінзи, щоб сфокусувати більше сонячного випромінювання на сонячних панелях. Дзеркала (або лінзи) відстежують рух сонця по небу.

Сонячне тепло: парниковий ефект використовує сонячне випромінювання для перетворення сонячної радіації в теплову енергію (нагрівання води або повітря). Сонячне світло видимої довжини хвилі проходить через прозорий шар (скло або пластик), перш ніж поглинається і нагрівається чорним шаром (матеріал з чорним покриттям). Поглинута енергія в інфрачервоному діапазоні (те, що ми, люди, сприймаємо як тепло) спрямовується до шару скла за допомогою чорного листового поглинача. Однак, оскільки скло не є прозорим в інфрачервоному діапазоні, тепло зберігається і може бути передане воді або повітрю.

Принципи сонячної енергетики використовуються в сонячних водонагрівачах, сонячних нагрівачах для басейнів і сонячному опаленні житлових приміщень. Сонячна енергія використовується для виробництва пари, яка використовується для приводу парових електрогенераторів при високих температурах і тисках.

Комунальні електростанції: Сонячні електрогенератори для домашнього використання, як правило, не перевищують 5 кВт. Генератори сонячної енергії в громадських будівлях (школах, громадських та урядових установах) та корпоративних офісах, як правило, не перевищують 50 кВт. Лідерами ринку є сонячні електропанелі потужністю до 50 кВт. Сонячні електростанції з вихідною потужністю від 100 кВт до 1 МВт поширені в громадах, які виробляють власну електроенергію, і вони зазвичай працюють в парі з вітрогенераторами та невеликими паровими турбінами.

Сонячна енергія використовується на електростанціях у вигляді оптично сконцентрованого сонячного світла (фотоелектрична технологія) або геліостатів. Геліостати. це дзеркала, що стежать за сонцем і відбивають сонячне світло на центральний колектор. Геліостати часто будують по колу навколо вежі. Колектор розташований на вежі і виробляє високотемпературну пару високого тиску, яка використовується для живлення парової турбіни.

Результат перетворення сонячної енергії:

Виробництво електроенергії:

Сонячні елементи можуть безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричну (фотоелектричні елементи). Коли світло потрапляє на перехід між металом і напівпровідником (наприклад, кремнієм) або на перехід між двома окремими напівпровідниками, створюється крихітний електричний потенціал. Один сонячний елемент зазвичай виробляє лише близько двох ват електроенергії. Сотні або навіть тисячі кіловат електроенергії можуть бути створені на сонячній електростанції або великому домашньому масиві шляхом з’єднання величезної кількості окремих елементів разом, як у масивах сонячних панелей. Більшість сучасних фотоелектричних елементів мають енергоефективність лише від 15 до 20%, а оскільки інтенсивність сонячного випромінювання низька, для початку потрібні масивні і дорогі збірки таких елементів, щоб генерувати навіть невеликі обсяги електроенергії.

Невеликі фотоелектричні елементи, які працюють від сонячного або штучного світла, знайшли широке застосування в малопотужних пристроях, таких як калькулятори та годинники. Більші установки використовуються для живлення віддалених водяних насосів і комунікаційного обладнання, а також метеорологічних і комунікаційних супутників. Традиційні кристалічні кремнієві панелі і технології тонкоплівкових сонячних елементів, що розвиваються, такі як інтегрована в будівлі фотоелектрика, можуть встановлюватися на дахах будинків і підприємств, щоб замінити або доповнити традиційні джерела живлення.

сонячна, енергія, перетворюється, електрику

Концентровані сонячні електростанції використовують концентруючі або фокусуючі колектори для фокусування сонячного світла з великої площі на крихітному чорному приймачі, значно збільшуючи інтенсивність світла і створюючи високу температуру. Масиви добре вирівняних дзеркал або лінз можуть сконцентрувати достатньо сонячного світла, щоб нагріти об’єкт до температури 2,000 градусів Цельсія (3,600 градусів за Фаренгейтом) або вище. Потім це тепло може бути використане для живлення котла, який виробляє пару для електростанції, що працює від електрогенератора парової турбіни. Для прямого виробництва пари рухомі дзеркала можуть бути встановлені таким чином, щоб сфокусувати величезні обсяги сонячної енергії на чорні труби, через які прокачується вода і таким чином нагрівається.

Створюйте красиві, висококонвертовані, зручні для підписання комерційні пропозиції з сонячного дизайну за лічені хвилини, а не години. Точність відображення тіні до 99%, що призводить до більш точного проектування.

Теплова енергія:

Тепло, що поглинається сонцем, є одночасно інтенсивним і радіоактивним. Сонце бомбардує Землю мільярдами заряджених наночастинок, які містять величезну кількість енергії. Це тепло можна використовувати для нагрівання води, обігріву приміщення, охолодження приміщення або виробництва технологічного тепла. Багато парогенеруючих систем еволюціонували до використання сонячного світла як основного джерела нагрівання живильної води, що значно підвищило загальну ефективність котлів та багатьох інших видів систем рекуперації відпрацьованого тепла. Сонячні плити готують, сушать і пастеризують, використовуючи сонячне світло. Сонячна дистиляція використовується в операціях з очищення води для забезпечення чистої питної води, і вона була надзвичайно важливим учасником у наданні допомоги країнам, які її потребують, завдяки використанню зростаючих технологій.

Метою сонячної теплової технології є перетворення сонячної енергії, що надходить, у корисне тепло. Перетворення сонячного тепла вимагає використання колекторів енергії, які являють собою спеціально сконструйовані дзеркала, лінзи та теплообмінники, що концентрують променисту енергію сонця і передають її рідині-носію. Рідина нагрівається, проходячи через сонячний колектор. Вода/пара, нафта або розплавлена сіль є поширеними теплоносіями. Потім рідина подається до теплового двигуна, який перетворює тепло в електрику.

Економічний розвиток:

Перетворення сонячної енергії має потенціал бути дуже економічно ефективною технологією. Це дешевше, ніж нетрадиційні джерела енергії. Використання сонячної енергії сприяє підвищенню зайнятості та розвитку транспортного і сільськогосподарського секторів. Завдяки економічним факторам сонячні системи стають дешевшими і більш доступними в країнах, де попит на енергію високий, а пропозиція обмежена. Сонячна електростанція потужністю 1 ГВт може виробляти приблизно в десять разів більше енергії, ніж електростанція на викопному паливі, будівництво якої обійдеться вдвічі дорожче. Очікується, що до 2050 року сонячні електростанції стануть лідерами у виробництві енергії в галузі.

Доступ до енергії в сільській місцевості:

Перетворення сонячної енергії може мати широкий спектр корисних соціальних наслідків, особливо в сільських громадах, які раніше не мали доступу до електромережі. Перетворення сонячної енергії в електричну є найбільш швидкозростаючим джерелом отримання енергії в багатьох автономних системах. Це особливо актуально на широтах 45° на північ або південь від екватора, де сонячне випромінювання є більш рівномірним протягом року і де проживає більшість населення країн, що розвиваються. З точки зору охорони здоров’я, сонячні домашні системи можуть замінити гасові лампи (часто зустрічаються в сільській місцевості), які можуть спричиняти пожежі та викидати забруднюючі речовини, такі як чадний газ (CO), оксиди азоту (NOx) та діоксид сірки (SO2), що погіршують якість повітря, погіршують функцію легенів та підвищують ризик захворювання на туберкульоз, астму та рак. Наявність сонячної енергії в таких місцях дозволяє сільським домогосподарствам заощаджувати час і гроші, необхідні для придбання та транспортування гасу, підвищуючи продуктивність і подовжуючи робочий день.

Ці громади отримують енергетичну незалежність, що означає, що вони більше не залежать від стороннього постачальника електроенергії, на додаток до доступності енергії. Поняття енергетичної незалежності є дуже новим; протягом переважної частини двадцятого століття енергетичні оцінки мали переважно технічний або фінансовий характер, мало враховуючи соціальні наслідки. Згідно з дослідженнями 1980-х років, доступ до відновлюваної енергії сприятиме принципам, які принесуть користь суспільству в цілому, а не лише окремим особам. Хоча деякі вчені стверджують, що історично люди, які контролюють джерела енергії, створювали суспільні ієрархії, такого роду дослідження стали менш радикальними і більш популярними з появою технології, яка дозволяє перетворювати сонячну енергію.

Громадська сонячна енергетика:

Перетворення сонячної енергії може мати вплив як на цілі громади, так і на окремих споживачів. Традиційна парадигма незалежних, не пов’язаних між собою установок на даху витісняється сонячними мікромережами громадського масштабу у все більшій кількості районів по всій Америці. Концепція громадської сонячної енергетики спочатку набула популярності в результаті занепокоєння щодо зберігання енергії. Оскільки широке виробництво літій-іонних батарей та інших технологій зберігання відстає від прогресу дахових фотоелектричних установок станом на 2018 рік, основною перешкодою для загальнонаціонального переходу до виробництва сонячної енергії на дахах є відсутність надійної системи зберігання для одного будинку, яка б забезпечувала непередбачені ситуації, пов’язані з нічним використанням енергії, хмарним покривом, обмеженнями та відключеннями електроенергії. Крім того, через менший обсяг проекту та відсутність грошових потоків, фінансування сонячних систем для односімейних будинків може бути більш складним завданням. Доцільною альтернативою є об’єднання кварталів будинків у мікромережу громади, яка використовує більш перевірені великомасштабні системи зберігання, що зменшує перешкоди для впровадження сонячної енергетики. У певних ситуаціях створюється мікромережа, яка з’єднує кожну автономну сонячну електростанцію на даху з більшим сховищем. Інші ідеї, особливо коли встановлення на даху неможливе, включають велику комбіновану сонячну батарею та сховище на сусідньому полі. Такі установки також мають соціальний ефект, роблячи сонячну енергію економічно доцільною для багатоквартирних будинків та традиційно малозабезпечених верств населення.

Втеча від мережі:

Можливим соціально-економічним недоліком перетворення сонячної енергії є те, що воно загрожує бізнес-парадигмі електроенергетичних компаній. Економічна стійкість регіональних монопольних комунальних підприємств у США ґрунтується на масовому об’єднанні місцевих споживачів, які врівноважують мінливі навантаження один одного. Як наслідок, широке встановлення сонячних систем на дахах будинків, не пов’язаних з електромережею, ставить під загрозу стабільність ринку комунальних послуг. Це явище отримало назву “деформація електромережі. Навантаження на комунальні служби погіршується через стару інфраструктуру електромереж, яка не змогла пристосуватися до нових труднощів, пов’язаних з відновлюваною енергетикою (головним чином, щодо інерційності, зворотного потоку електроенергії та схем релейного захисту). Однак інші експерти стверджують, що зі збільшенням частоти природних катастроф (які руйнують ключову мережеву інфраструктуру) будівництво сонячних мікромереж може знадобитися для забезпечення аварійного електропостачання. Цей НАПРЯМ на готовність до стихійних лих значно активізував позамережевий енергетичний сектор в останні роки, особливо в місцях, схильних до стихійних лих.

Вплив на навколишнє середовище:

Установки можуть порушувати та/або змінювати природні екосистеми, охоплюючи величезні ділянки землі та збільшуючи фрагментацію ареалів проживання. Сонячні установки, зведені в резерваціях корінних американців, порушують традиційні звичаї, а також мають шкідливий вплив на навколишню екосферу.

Сонце має величезний невикористаний потенціал для задоволення наших постійно зростаючих потреб в енергії. Висока вартість сонячної енергії у порівнянні з вартістю викопного палива є бар’єром для більш широкого використання. Однак ця розбіжність буде зменшуватися в міру зростання вартості викопного палива, а також витрат на пом’якшення його впливу на навколишнє середовище і клімат. Вартість сонячної енергії прямо пропорційна низькій ефективності перетворення, низькій щільності енергії сонячного випромінювання та необхідним в даний час дорогим матеріалам. Розробка матеріалів і способів збільшення перетворення сонячної енергії є значною мірою науковою проблемою; прориви в базових знаннях повинні дозволити суттєво просунутися вперед. Існує великий потенціал для розвитку, оскільки ефективність фотоелектричного перетворення для доступних органічних і сенсибілізованих барвниками сонячних елементів зараз становить близько 10% або менше, ефективність фотосинтетичного перетворення. менше 1%, а найвища сонячна теплова ефективність. 30%. Теоретичні обмеження означають, що ми можемо зробити набагато більше.

Перетворення сонячної енергії є відносно новою наукою. Її стрімке поширення почалося в 1970-х роках, що було викликано нафтовою кризою, яка виявила всепроникність енергії в нашому особистому, соціальному, економічному і політичному житті. На противагу цьому, дослідження викопного палива розвивалися протягом більш ніж 250 років, стимульовані промисловою революцією та обіцянкою великих запасів викопного палива. Еволюція парового двигуна, наприклад, нерозривно пов’язана з вивченням термодинаміки. Цикл Карно, механічний еквівалент теплоти та ентропія відіграли ключову роль в еволюції термодинаміки та технології теплових двигунів. Дослідження сонячної енергії мають не менш яскраве майбутнє, оскільки нанотехнології дозволяють відкрити керівні принципи перетворення фотонної енергії та застосувати їх у створенні нових технологій, конкурентоспроможних за вартістю.

Республіка Сонячної енергії

Розуміння, ресурси та можливості.

Сонячна енергетика: Фотоелектричне (PV) перетворення енергії

Дізнайтеся, як сонячні елементи генерують електроенергію, а також про фізику напівпровідників та оптику, необхідну для проектування та виробництва сонячних елементів.

Оберіть свій сеанс:

Я хотів би отримувати електронну пошту від DelftX і дізнаватися про інші пропозиції, пов’язані з сонячною енергією: Фотоелектричне (PV) перетворення енергії.

Сонячна енергетика: Фотоелектричне (ФЕ) перетворення енергії

Про цей курс

Ключовим фактором для отримання більш ефективних і дешевих сонячних панелей є прогрес у розвитку фотоелектричних елементів. На цьому курсі ви дізнаєтеся, як фотоелектричні елементи перетворюють сонячну енергію в корисну електроенергію. Ви також дізнаєтесь, як боротися з механізмами потенційних втрат у сонячних елементах. Розуміючи фізику напівпровідників та оптику, ви отримаєте глибокі знання про те, як фотоелектричні елементи працюють за різних умов. Ви навчитеся моделювати всі аспекти роботи сонячної батареї. Для інженерів та науковців, які працюють у фотоелектричній промисловості, цей курс є абсолютно необхідним для розуміння можливостей для інновацій у сфері сонячних елементів.

Цей курс є частиною мікро-магістерської програми “Інженерія сонячної енергії”, яка охоплює всі фізичні та інженерні аспекти фотоелектрики: фотоелектричне перетворення енергії, технології та системи.

Ми рекомендуємо вам пройти цей курс до того, як ви візьмете участь в інших курсах цієї мікро-магістерської програми.

З першого погляду

Ступінь бакалавра в галузі природничих або інженерних наук або успішне завершення професійної сертифікатної програми TU Delft “Сонячна енергетика”.

  • Мова: Англійська
  • Відео-транскрипт: Англійська
  • Супутні програми:
  • Програма MicroMasters ® з інженерії сонячної енергетики

Що ви дізнаєтесь

Слухачі аудиту можуть розвивати свої навички та знання щодо вищезазначених навчальних цілей, маючи доступ до відеолекцій, обмеженої кількості практичних вправ та дискусійних форумів.

Перевіреним студентам пропонується ряд навчальних інструментів, щоб продемонструвати, що вони засвоїли навчальні цілі. Вони матимуть доступ до всіх вправ: практичних, оціночних та екзаменаційних питань.

Навчальний план

Тиждень 1: Вступ Як сонячні елементи перетворюють сонячну енергію в електричну? Які основні складові сонячної батареї?

Тиждень 2: Напівпровідникові основи Що таке напівпровідники? Що таке зонна діаграма?

Тиждень 3: Генерація та рекомбінація Яка фізика носіїв заряду??

Тиждень 4: P-N перехід Що таке діод? Як змінюється діод, коли ми подаємо напругу? Що буде, коли ми освітлюємо його сонячною енергією??

Тиждень 5: Поглиблені концепції в напівпровідниках Що відбувається, коли ми з’єднуємо напівпровідник з металом? Які ще типи переходів напівпровідникових матеріалів важливі для сонячних елементів?

Тиждень 6: Управління світлом 1: Заломлення/дисперсія/рефракція Які оптичні явища важливі для сонячних елементів? Як ми можемо використовувати їх, щоб забезпечити максимальне поглинання світла.

Тиждень 7: Управління світлом 2: Розсіювання світла Які методи ми можемо використовувати для розсіювання світла в нашому сонячному елементі, щоб збільшити довжину оптичного шляху?

Тиждень 8: Електричні втрати Зберіть всі концепції воєдино, щоб зрозуміти, як проектувати сонячні елементи.

Відгуки слухачів

Я зміг ознайомитися з останніми теоретичними знаннями про сонячну енергетику. Це допомогло мені розвиватися як інженеру та вдосконалити свої навички. Попередній студент

Програма мікромагістрів з інженерії сонячної енергетики Делфтського технічного університету чудово підходить для розуміння загальної науки про сонячну енергетику. Він надає контекст поточних тенденцій галузі, і в той же час дає вам інструменти, необхідні для того, щоб знати, де буде знаходитися галузь в наступному десятилітті. Бертрам, Нідерланди

про цей курс

Матеріали цього курсу є авторським правом Делфтського технічного університету і доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike (CC-BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна ліцензія.

Хто може пройти цей курс?

На жаль, студенти, які проживають в одній або декількох з наступних країн або регіонів, не зможуть зареєструватися на цей курс: Іран, Куба та Кримський регіон України. Незважаючи на те, що edX намагався отримати ліцензії від U.S. Управління з контролю за іноземними активами (OFAC), щоб пропонувати наші курси студентам у цих країнах та регіонах, ліцензії, які ми отримали, не є достатньо широкими, щоб дозволити нам пропонувати цей курс у всіх місцях. edX щиро шкодує, що U.S. санкції заважають нам пропонувати всі наші курси всім бажаючим, незалежно від того, де вони живуть.

Цей курс є частиною мікро-магістерської програми з інженерії сонячної енергетики

Залишити відповідь