Солнечная батарея

Солнечная батарея

Со́лнечная фотоэлектри́ческая пане́ль (или фотоэлектрический мо́дуль) — источник электрического тока, сформированный на основе нескольких фотоэлементов, объединённых для получения требуемой мощности в панель. Различают по способу конструирования (кристаллические пластины, тонкие плёнки, многопереходные структуры) и рабочему материалу (кремний, арсенид галлия, теллурид кадмия)[1].

История создания

В 1883 году первый солнечный элемент создаёт изобретатель Чарльз Фриттс, используя селен с тонким золотым покрытием; ячейка имела КПД менее 1 %. В 1941 году Рассел Ол изобретает первый кремниевый солнечный элемент, но его КПД составлял менее 1 %. Первую используемую кремниевую солнечную ячейку с КПД 6 % изобрели в 1954 году исследователи из Bell Labs. Они создали первую солнечную панель, поместив несколько полосок кремниевых солнечных ячеек вместе. Коммерческая кремниевая солнечная батарея с КПД 2 % была создана компанией Hoffman Electronics в 1955 году, а в 1957 году повышает эффективность своих коммерческих солнечных ячеек до 8 %. В 1958 году эффективность коммерческих солнечных ячеек Hoffman Electronics увеличилась до 9 %. В 1959 году была создана коммерческая солнечная ячейка с КПД 10 %, используя контактную сетку, которая снижает сопротивление элемента. В 1960 году компания достигла эффективности коммерческих солнечных батарей на уровне 14 %. В 1976 году была создана первая солнечная ячейка из аморфного кремния с КПД 2,4 % компанией RCA Laboratories. В 1980 году институт преобразования энергии разрабатывает первый тонкоплёночный солнечный элемент, КПД которого превышает 10 %. В 1985 году был создан коммерческий кремниевый солнечный элемент с КПД более 20 % исследователями из Университета Уэльса в Австралии. В 1992 году университет Флориды создал тонкоплёночный солнечный элемент с эффективностью 15,89 %. В 2012 году Solar Frontier создала тонкоплёночный солнечный элемент с эффективностью 17,8 %. 2015 год — SunPower достигает эффективности 22,8 % в своих коммерческих кремниевых солнечных батареях. В 2016 году SunPower выпустила коммерческую кремниевую солнечную ячейку с КПД 24,1 %. В 2019 году SunPower достигла эффективности 23,35 % в своей технологии тонкоплёночных солнечных элементов. Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), разработали кремниевую солнечную ячейку с эффективностью 39,2 % при «освещении одним солнцем». Эффективности 47,1 % при концентрированном освещении способен достигать другой вариант элемента[2][3].

Типы солнечных батарей

  • Монокристаллические — солнечные батареи на базе кристаллического кремния с КПД 14-18 % и поликристаллические с КПД 12-15 %. В условиях прямого яркого солнечного света элемент площадью 100 см² может выдавать до 1,8 Вт мощности[1].
  • Тонкоплёночные — солнечные батареи из аморфного кремния, микрокристаллического кремния, теллурида кадмия с КПД 17-20 %, осаждённые на подложку (стекло, металлическая фольга). Могут работать при рассеянном излучении и наноситься на поверхности любой конфигурации. Толщина 1,5-2,5 мкм[1].
  • Солнечные батареи с многослойной структурой — состоят из множества полупроводниковых слоёв, последовательно выращенных друг на друге. Каждый отдельный полупроводниковый слой наиболее эффективно поглощает определённый диапазон солнечного спектра. Из-за высокой себестоимости область применения ограничена авиакосмической отраслью. Наиболее эффективной считается структура, состоящая из трёх слоёв — Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAs и GaInP (GaInP/GaAs/Ge, КПД до 44,7 %)[1].

Устройство солнечных батарей

Традиционно установка состоит их нескольких частей — солнечной панели, аккумулятора и инвертора.

  • Солнечная панель — которая генерирует постоянный ток. Из параллельно-последовательно соединённых между собой солнечных элементов собирают панель. На выходе напряжение призвано увеличивать последовательное соединение, ток — параллельное. Комбинированный тип соединения позволяет увеличить оба показателя и повысить надёжность функционирования системы. Их электродвижущая сила пропадает, возрастает активное сопротивление, когда на элементы не попадают солнечные лучи. Разряжая аккумуляторы, они начинают потреблять ток, приводя к перегреву и сбою в работе. Для этого элементы шунтируют диодами, которые при нормальном освещении электродвижущей силы ячейки заперты и при её исчезновении открыты[4].
  • Аккумулятор снабжён контроллером заряда. Электроэнергия в аккумуляторе генерируется посредством химических реакций. Процесс зарядки устройства начинается, если подаваемое рабочее напряжение превосходит его собственное, и при этом обеспечивается достаточный зарядный ток. Контроллер регулирует работу батареи в циклах заряда и разряда. Через этот контроллер аккумулятор подключается к солнечной панели. Одной из его функций является переключение аккумулятора на более низкую скорость зарядки после того, как уровень заряда достигнет 90 % от первоначальной ёмкости. При достижении полной зарядки батареи, подключаемый резистор абсорбирует избыточную энергию[4].
  • Инвертор для преобразования постоянного тока в переменный. Осуществляют преобразование постоянного тока, который генерируется солнечными батареями, в переменный. Такой тип тока является стандартным для функционирования большинства бытовых приборов, а также разнообразной техники и промышленного оборудования[4].

Применение

  • Обеспечение зданий. Батареи устанавливаются на крышах заводов или жилых домов. Преимущественно в США, Саудовской Аравии, Израиле, Испании, Индии[5].
  • В медицине. Учёные из Южной Кореи изобрели подкожную батарею. Маленькую батарею могут вживлять под кожу для постоянной работы разных приборов в теле человека. Эта батарея в 15 тоньше волоса человека и площадью около 0,07 см²[5].
  • Автономное энергоснабжение. Установка солнечных станций в труднодоступных районах дешевле прокладки линии электропередач. Солнечные батареи применяют для обеспечения энергопитанием отдельно стоящих телекоммуникационных вышек, пикетов экстренной связи, расположенных на удалённых от населенных пунктов трассах, нефтяных и рудных месторождениях[6].
  • Основа и составная часть энергетического комплекса. Солнечные батареи активно применяются как часть крупных электростанций, которые могут включать различные источники энергии и технологии[6].
  • Интеграция в конструктивные элементы зданий. Установка солнечных батарей на крышу и фасады зданий: интегрируют в кровлю или в элементы конструкции[6].
  • Системы уличного освещения. Установка солнечных батарей на дорогах крупных городов и небольших населённых пунктов обеспечивает питание уличных систем оповещения, подсветки дорожных знаков, освещения. Также расположение на загородных трассах и в местах повышенной опасности[6].

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 Ермолович А. В. Солнечная батарея. БРЭ (30 марта 2023). Дата обращения: 31 октября 2025.
  2. ↑ История появления и развития солнечных панелей. Инфографика (20 октября 2024). Дата обращения: 31 октября 2025.
  3. ↑ Лиханова Е. От энергетической независимости до безумно дешевых мощностей: как развивалась солнечная энергетика. Rb (3 мая 2021). Дата обращения: 31 октября 2025.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 Как устроены и работают солнечные панели. IXBT (10 сентября 2024). Дата обращения: 31 октября 2025.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 Эволюция солнечных батарей. От создания с широкому применению. Бобров Солар (10 декабря 2020). Дата обращения: 16 ноября 2025.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 Маслов А. Солнечные панели: от бесполезной игрушки к революции в энергетике. Unigreen (3 декабря 2024). Дата обращения: 31 октября 2025.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Солнечная_батарея&oldid=2151680