Популярность и эффективность солнечных панелей в жилых домах растет.
schmidt-z / Getty Images
Солнечные панели – это устройства, которые собирают энергию солнца и преобразуют ее в электричество с помощью фотоэлементов. Благодаря фотоэлектрическому эффекту полупроводники создают взаимодействие между фотонами от Солнца и электронами, чтобы произвести электричество. Узнайте, как работает этот процесс и что происходит с производимой электроэнергией.
От солнечной энергии к электричеству: шаг за шагом
Каждая солнечная панель содержит отдельные фотоэлектрические (PV) элементы, изготовленные из материалов, которые могут проводить электричество. Этот материал чаще всего представляет собой кристаллический кремний из-за его доступности, стоимости и длительного срока службы. Благодаря своей структуре кремний очень эффективно проводит электричество. (1)
Вот шаги, необходимые для того, чтобы солнечная энергия превратилась в электричество:
- Когда солнечный свет попадает на каждую фотоэлектрическую ячейку, начинает действовать фотоэлектрический эффект. Фотоны или частицы солнечной энергии, из которых состоит свет, начинают выбивать электроны из полупроводникового материала.
- Эти электроны начинают течь к металлическим пластинам вокруг фотоэлемента. Подобно потоку воды в реке, электроны создают поток энергии. (2)
- Энергетический ток представляет собой электричество постоянного тока (DC). Большая часть используемой электроэнергии находится в форме переменного тока (AC), поэтому электричество постоянного тока должно проходить по проводу к инвертору, задача которого – преобразовывать постоянный ток в электричество переменного тока. (3)
- Как только электрический ток преобразован в переменный, его можно использовать для питания электроники в доме или хранить в аккумуляторах. Чтобы электричество можно было использовать, оно должно проходить через электрическую систему дома.
Фотоэлектрический эффект
Процесс превращения солнечного света в электричество известен как фотоэлектрический эффект. Слой собирающих свет фотоэлементов покрывает поверхность солнечной панели. Фотоэлемент изготовлен из полупроводниковых материалов, таких как кремний. В отличие от металлов, которые являются отличными проводниками электричества, кремниевые полупроводники пропускают через себя ровно столько электричества, сколько сможет по ним проходить. (4)
Электрические токи в солнечных панелях создаются путем отрыва электрона от атома кремния, что требует большого количества энергии, потому что кремний действительно хочет удерживать свои электроны. Следовательно, кремний не может сам по себе генерировать значительную часть электрического тока. Ученые решили эту проблему, добавив в кремний отрицательно заряженный элемент, например фосфор. У каждого атома фосфора есть дополнительный электрон, который без проблем может отдать его при воздействии солнечного света.
alejomiranda / Getty Images
Этот отрицательно заряженный кремний, или кремний N-типа, соприкасается с положительно заряженным слоем кремния или P-типа. Слой P-типа создается путем добавления к кремнию положительно заряженных атомов бора. Каждому атому бора «не хватает» электрона, и хотелось бы получить его, где бы он ни находился. Соединение листов этих двух материалов вместе заставляет электроны из полупроводника N-типа переходить на полупроводник P-типа. Это создает электрическое поле, которое затем действует как барьер, не позволяющий электронам легко проходить через него.
Когда фотоны попадают в слой N-типа, они выбивают электрон. Этот свободный электрон хочет попасть в слой P-типа, но у него недостаточно энергии, чтобы пройти через электрическое поле. Вместо этого он идет по пути наименьшего сопротивления. Он течет по металлическим проводам, которые соединяются со слоем N-типа, вокруг внешней стороны фотоэлемента и обратно в слой P-типа. Это движение электронов создает электричество.
Читайте также: Солнечная черепица: что это, плюсы и минусы, как работает.
Куда уходит электричество?
Если вы когда-либо проезжали мимо дома с солнечными панелями или думали о том, чтобы приобрести их для собственного дома, вы можете быть удивлены, узнав, что большинству домов на солнечных панелях по-прежнему необходимо получать электроэнергию от энергетической компании. По данным Federal Trade Commission, большинство домов, где есть солнечные панели, получают около 40% электроэнергии от своих панелей. Этот объем зависит от таких факторов, как количество часов прямого солнечного света, которые получают ваши панели, и насколько велика система. (5)
Когда светит солнце, солнечные панели преобразуют солнечный свет в энергию. Если они производят больше электроэнергии, чем необходимо, эта электроэнергия часто отправляется обратно в электросеть, и в счет за электроэнергию вносится кредит. Это известно как «чистое измерение». В гибридной системе люди вместе со своими солнечными панелями устанавливают аккумуляторы (батареи), и большая часть избыточной электроэнергии, вырабатываемой панелями, может храниться там. Все, что останется, будет отправлено обратно в сеть. (6)
При брутто-измерениях вся электроэнергия, вырабатываемая бытовыми солнечными панелями, немедленно отправляется в электросеть. Затем жители отключают электроэнергию от сети. Однако солнечные панели не всегда производят электричество. Если солнце не светит, домовладельцам, возможно, придется в любом случае подключиться к электросети, чтобы потреблять электричество. Затем коммунальная компания будет взимать с них плату за потребленную энергию. (7)
Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
