Солнечные батареи. Основные принципы функционирования

Некоторые считают, что обыкновенная солнечная батарея представляет собой невероятно сложное устройство, принцип функционирования которого способен понять исключительно физик, но на самом деле это не так. Для примера достаточно рассмотреть принцип действия ФЭП - фотоэлектрического преобразователя. Это полупроводниковое устройство, которое напрямую преобразовывает в электричество солнечную энергию.

Если обращать максимум внимания на вопросы экономичности, то применение именно этой разновидности солнечных батарей для личного пользования на сегодняшний день наиболее актуально, поскольку тут дело обстоит с одноступенчатым, прямым «переходом» энергии солнечного излучения в электрическую. В соответствии с информацией исторических источников, впервые фотоэлектрические элементы были разработаны в 1950 году для применения в космической промышленности. Таким образом, процесс превращения в фотоэлектрическом преобразователе энергии из одного состояния в другое основывается на «фотовольтаическом эффекте», формирующемся в полупроводниковых неоднородных структурах во время воздействия на них солнечных лучей. Необходимо заметить, что эффективность процесса преобразования будет зависеть исключительно от электрофизических характеристик полупроводников, оптических характеристик преобразователя. Среди них наиболее важным считается фотопроводимость, которая обусловлена явлениями фотоэффекта в полупроводнике при облучении его светом.

Принцип функционирования ФЭП можно объяснить на преобразователях с p - n-переходом, считающихся самыми распространенными в солнечной энергетике. Электронно-дырочный или p - n-перехо́д представляет собой область полупроводника, где имеет место пространственное изменение разновидности проводимости к дырочной p от электронной n. В процессе облучения солнечным светом модуля у границы слоёв формируются специальные объединенные зоны с положительным объёмным некомпенсированным зарядом в n-слое и отрицательным объёмным зарядом в p-слое. Соответственно, на этом переходе появляется барьер, являющийся разностью потенциалов. Именно за счет этой особенности и объясняется факт появления фотоэлектродвижущей силы в случае облучения солнечным светом преобразователя.

Для того чтобы солнечное оборудование (фотоэлектрический модуль) был надежным источником электрической энергии, потребуются дополнительные элементы в системе: поддерживающая структура, кабели и, в зависимости от разновидности системы (автономная или резервная), контроллер заряда, электронный инвертор с аккумуляторной батареей. Подобная система получила название солнечная фотоэлектрическая система, или солнечная станция. На текущий момент фотоэлектрические автономные системы применяются там, где отсутствуют сети централизованного электроснабжения. Чтобы обеспечить в периоды без солнечного яркого света или в темное время суток энергией может потребоваться специальная аккумуляторная батарея. Следует заметить, что такие системы чаще всего используют для электроснабжения отдельных сооружений. Небольшие станции предоставляют возможность питать базовые нагрузки (телевизор, освещение или радио). Что касается более мощных систем, то они могут питать водяной насос, солнечный коллектор, радиостанцию, электроинструменты, холодильник и т.д. Система включает солнечную панель, контроллер, аккумуляторную батарею, кабель, а также электрическую нагрузку.