*120213*

Жакупханов Ержан Ерболович,

Амургалинов Алибек Саматович,

Жезбаев Самат Кайратович

Преобразование солнечной энергии в электричество

Во всем мире экономия электроэнергии считается важнейшим вкладом в экологию и охрану окружающей среды.

Наиболее перспективными направлениями развития альтернативной энергетики на территории Казахстана являются: гидроэнергетика, ветроэнергетика и солнечная энергетика. Солнечная энергия может широко использоваться для горячего водоснабжения и в ряде случаев для автономного электроснабжения.

Ежегодно Земля получает от Солнца порядка 1,6х10¹⁸ кВт/ч энергии, это в 10 тыс. раз больше, чем современный уровень энергопотребления. Причем вклад солнца в энергетический баланс Земли превышает в 5 тыс. раз суммарный вклад всех других источников энергии, другими словами, потенциал солнечной энергии для земли составляет 123х10¹² т условного топлива в год. Вместе с тем, используемые на Земле все виды энергии, в конечном счете, трансформируются в тепловую, а это может привести к необратимым изменениям при производстве энергии равной 5 % от поступающей солнечной радиации.

Значительная часть территории Казахстана имеет благоприятные климатические условия для использования солнечной энергии.

Продолжительность солнечного сияния составляет 2200 - 3000 часов в год, а энергия солнечного излучения – 1200 кВт/м² в год. Это позволяет использовать солнечные батареи – коллекторы для нагрева воды и солнечные модули, в частности портативные фотоэлектрические системы. В южных районах продолжительность солнечного излучения составляет от 2000 до 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность - от 1280 до 1870 кВт/ч на 1 м². В наиболее солнечном месяце - июле - количество энергии, приходящейся на 1 м². горизонтальной поверхности составляет в среднем от 6,4 до 7,5 кВт/ч в день. Следовательно, широкое использование солнечной энергии может иметь здесь важное хозяйственное значение.

Принцип преобразования солнечной энергии в электричество

Солнце и фотоэлектрические модули (СФЭМ - солнечные батареи).

В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как: солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м². А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м². Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.

Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра, диаметром 125 мм, и имя ему фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?

Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект. Фотоэффект - это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.

В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = h∙н(аш ню), где h — постоянная Планка, равная 6,626 Ч 10^-34 Дж∙с, н - частота фотона. Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который путем обобщения полученных результатов установил следующие три закона фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины , называемой красной границей.

Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законы фотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:

где: h∙н – энергия фотона, А – работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества. Таким образом, получается, что частица света – фотон поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию Ѕm∙v² и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться. А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила – Э.Д.С.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Возвращаясь из прошлого в наши дни, мы видим, что «сердцем» Солнечной батареи является ФЭП (полупроводниковый фотоэлемент), в котором осуществляется удивительное чудо природы – Вентильный фотоэффект (ВФЭ). Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света. ВФЭ илифотоэффект в запирающем слое — явление, при котором электроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник).

Полупроводники — это материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт [эВ]. Ширина запрещенной зоны — это разность энергий электронов в кристалле полупроводника между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны полупроводника.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Кремнию суждено было стать материалом для солнечной энергетики, широкое распространение в природе, легкость, подходящая ширина «запрещенной зоны» 1,12 эВ для поглощения энергии солнечного света. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 90% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка).

Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является p-n переход. В упрощенном виде ФЭП можно представить в виде "бутерброда": он состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода.

Одним из главных свойств p-n перехода является его способность быть энергетическим барьером для носителей тока, т.е. пропускать их только в одном направлении. Именно на этом эффекте и базируется генерация электрического тока в солнечных элементах. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разным знаком - электроны (n) и дырки (p). Благодаря своим свойствам p-n переход «разделяет» их, пропуская каждый тип только на "свою" половину, и хаотически двигающиеся в объеме элемента носители заряда оказываются по разные стороны барьера, после чего могут быть переданы во внешнюю цепь для создания напряжения на нагрузке и электрического тока в замкнутой цепи, подключенной к солнечному элементу.