Примеров использования солнечной энергии великое множество. Это и солнечная энергетика и сельское хозяйство, фотоэлектрические системы и, наконец, фотосинтез без которого не было бы жизни. Одним из важных современных технологических решений является преобразование энергии Солнца в источник электрической энергии. В основу этого преобразования заложен принцип работы солнечного элемента.
Рассмотрим простой практический пример использования солнечной энергии преобразованной в электроэнергию.
Образец применения
Чтобы переместить объект из одного места в другое с помощью солнечной энергии должна быть достаточная мощность для приведения этого объекта в движение.
Известно, что мощность солнечной энергии, падающей на верхнюю границу атмосферы, примерно 1,33 киловатта на квадратный метр. На пути к Земле часть этой энергии поглощается и отражается обратно в мировое пространство.
В средних широтах энергия, падающая на Землю на уровне моря [highlight]в ясный солнечный летний день, равна примерно 0,8 киловатта на квадратный метр[/highlight]. Заметим, что мощность широко распространенной домашней электроплитки обычно 0,4 киловатта. Значит, этих ресурсов с одного квадратного метра, если их использовать полностью, достаточно, чтобы питать энергией две электроплитки. Небольшому катеру достаточно 0,25 киловатта. Значит, в хорошую летнюю погоду, опять же, при полном использовании энергии солнца, солнечная батарея может вращать мотор и, вместе с тем, запасать избыток, заряжая аккумулятор.
Чтобы лодка двигалась, она должна иметь устройство, улавливающее солнечные лучи и преобразующее их в электроэнергию. За счет полученной энергии будет работать электромотор, вращающий гребной винт. Электроэнергию для движения создают специальные батареи в основу которых заложен принцип работы солнечного элемента.
Принцип получения электроэнергии
Батареи собраны из некоторого количества элементов, в которых энергия солнечного излучения преобразуется в электрическое напряжение. Каждый из упомянутых элементов — это фотодиод, изготовленный из специального полупроводящего материала.
Теперь пришла очередь разобрать работу батареи использующую определенное количество солнечных элементов.
Каждый элемент батареи состоит из двух частей. Обе части — это определенным образом обработанный полупроводниковый материал.
Электроны в полупроводниках расположены в определенных диапазонах по энергии, диапазоны называют зонами. В каждой упомянутой части, как во всяком полупроводнике, существует заполненная зона, проводимости и разделяющая их зона. Если электрон находится в зоне проводимости, он может перемещаться. В заполненной зоне электроны вообще неподвижны. Но, если электрону сообщить добавочную энергию, он перейдет в зону проводимости и сможет перемещаться.
Возможен также переход электронов из заполненной на какой-нибудь уровень в промежуточной зоне. В обоих случаях в заполненной зоне окажется пустой уровень. На этот уровень может перейти другой электрон, оставив свой уровень незаполненным. Последний может занять соседний из этой же зоны, вместо того следующий и т.д.
Таким образом, перемещение зарядов в заполненной зоне приведет к тому, что электроны тоже могут проводить ток. Такие создающие ток заряды, в отличие от электронов в зоне проводимости, называют дырками, так как при перемещении в этом случае перемещается дырка — в место, где нет электрона.
А теперь представим себе, что мы соединили друг с другом полупроводники, в одном из которых электрический ток проводят электроны, а в другом — дырки. Падение солнечных лучей на элемент сгенерирует неравновесные электронно-дырочные пары с образованием тока.
Электрические процессы в такой паре весьма сложны. Поэтому упростим их насколько возможно, для этого положим, что освещается только один из двух полупроводников, скажем для определенности тот, в котором ток проводят свободные электроны. Тогда при соединении двух полупроводников, благодаря тому, что электроны совершают тепловое движение, часть из них перейдет в дырочный полупроводник. Значит, в электронном полупроводнике возникает недостача зарядов, и он благодаря этому получит положительный заряд.
Дырочный же полупроводник, получивший электроны от соседа, очевидно, получит отрицательный заряд.
А для внешней цепи соединение двух таких полупроводников будет как источник напряжения, и будет создавать во внешней цепи ток, который нужен для движения чего-либо.
Это практический пример использования солнечного электричества, который положен в основу и принцип работы солнечных элементов и батарей в целом.
