Солнечные батареи — это немеханические устройства, использующие полупроводники для непосредственного преобразования солнечного света в электричество посредством фотоэлектрического эффекта. Интуитивно может показаться, что солнечные батареи эффективно работают при интенсивном солнечном свете, но так ли это на самом деле?
Человечество издавна использует солнечную энергию, преобразуя её тремя основными способами: фотоэлектрическое преобразование, фототермическое преобразование и фотохимическое преобразование. Фотоэлектрическая (ФЭ) генерация энергии, преобразующая солнечный свет в электричество, является одним из наиболее эффективных способов использования солнечной энергии.
Фотоэлектрический эффект был впервые обнаружен в 1839 году французским учёным Эдмоном Беккерелем и представляет собой генерацию электрического потенциала при попадании света на полупроводник. Позже Эйнштейн объяснил этот эффект, используя квантовую теорию света, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году.
В отличие от фотоэлектрического эффекта, который возникает при попадании света на один проводник, фотоэлектрический эффект происходит на границе между двумя полупроводниковыми пластинами. При соединении проводом эта граница создает электрическое поле, позволяющее протекать току.
Итак, как солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электричество? Солнечный свет представляет собой широкий спектр электромагнитного излучения. Когда он попадает на солнечную батарею, излучение может отражаться, поглощаться или проходить сквозь неё. Только поглощенное излучение преобразуется в электрическую энергию.
Для полупроводников на основе кремния требуется энергия 1,11 электронвольт (эВ), чтобы выбить электрон из атома. Только фотоны с энергией выше этого порога могут генерировать электричество. Однако избыточная энергия от фотонов с более высокой энергией теряется в виде тепла, способствуя нагреву солнечной панели, что может повысить ее температуру выше температуры окружающего воздуха.
Вопреки распространенному мнению, кремниевые солнечные элементы на самом деле предпочитают более прохладную среду, хотя им по-прежнему необходим солнечный свет. С повышением температуры солнечные панели вырабатывают меньше энергии, несмотря на получение того же количества солнечного света.
Высокие температуры в основном снижают напряжение холостого хода (напряжение, при котором ток не течет), хотя ток короткого замыкания (ток, при котором элемент закорочен) остается относительно стабильным. Это означает, что более высокие температуры приводят к снижению эффективности и уменьшению выходной мощности.
Солнечные элементы обычно тестируются при стандартной температуре 25°C (77°F). Когда температура панели достигает 60°C (140°F) или выше, ее выходная мощность значительно снижается. С каждым градусом повышения температуры ток короткого замыкания увеличивается всего на 0,04%, а напряжение холостого хода уменьшается на 0,4%.
Несмотря на снижение эффективности летом, обилие солнечного света в это время года всё же приводит к более высокому общему производству энергии по сравнению с другими сезонами.
Как охладить солнечные панели
Как и другие электронные устройства, солнечные панели работают лучше при более низких температурах. Поскольку они используют солнечный свет, а не тепло для питания, они наиболее эффективны в условиях яркого, но прохладного освещения.
Чтобы охладить солнечные панели летом, нужно ли устанавливать навес? Конечно, нет! Блокировка солнечного света сведет на нет смысл использования солнечных панелей. А как насчет солнцезащитного крема? Нет, использование физических барьеров уменьшит поглощение света, а химические методы не помогут снизить температуру.
Для солнечных панелей, установленных на крыше, естественная вентиляция является эффективным и экономичным способом их охлаждения. Установка панелей с зазором между ними и крышей позволяет воздуху циркулировать и охлаждать панели. Однако важно не допускать попадания листьев и мусора в зазор, чтобы поддерживать циркуляцию воздуха и предотвратить перегрев.
Исследователи также изучали различные методы охлаждения для повышения эффективности солнечных панелей. Помимо естественной вентиляции, были исследованы принудительное воздушное охлаждение и фотоэлектротермическое охлаждение (ФТО), что позволило получить ценные данные о снижении температуры панелей и увеличении выработки энергии.
По мере того как солнечные батареи, посланники чистой энергии, все больше интегрируются в нашу жизнь, они приносят с собой новую волну низкоуглеродных, экологически чистых решений.
