Kā notiek saules enerģijas pārvēršanas process elektroenerģijā

Daudzi no mums vienā vai otrā veidā ir saskārušies ar saules baterijām. Kāds ir izmantojis vai izmanto saules baterijas, lai ražotu elektroenerģiju mājsaimniecības vajadzībām, kāds izmanto nelielu saules bateriju, lai uzlādētu savu iecienītāko sīkrīku uz lauka, un kāds noteikti ir redzējis nelielu saules bateriju uz mikro kalkulatora. Dažiem pat laimējās viņu apciemot saules elektrostacija. 

Bet vai esat kādreiz aizdomājušies, kā notiek saules enerģijas pārvēršanas elektrībā process? Kāda fiziska parādība ir visu šo saules elementu darbības pamatā? Pievērsīsimies fizikai un detalizēti izpratīsim ģenerēšanas procesu.

Jau no paša sākuma ir skaidrs, ka enerģijas avots šeit ir saules gaisma vai, zinātniski runājot, Elektroenerģija tiek ražots, pateicoties saules starojuma fotoniem. Šos fotonus var attēlot kā elementāru daļiņu plūsmu, kas nepārtraukti pārvietojas no Saules, un katrai no tām ir enerģija, un tāpēc visa gaismas plūsma nes kādu enerģiju.

No katra Saules virsmas kvadrātmetra starojuma veidā nepārtraukti izdalās 63 MW enerģijas! Šī starojuma maksimālā intensitāte ir redzamā spektra diapazonā - viļņu garumi no 400 līdz 800 nm. 

Tātad zinātnieki ir noskaidrojuši, ka saules gaismas plūsmas enerģijas blīvums attālumā no Saules uz Zemi ir 149600000 kilometri pēc atmosfēras izlaišanas un, sasniedzot mūsu planētas virsmu, vidēji aptuveni 900 vati uz kvadrātu. metrs.

Šeit jūs varat pieņemt šo enerģiju un mēģināt iegūt no tās elektrību, tas ir, pārvērst saules gaismas plūsmas enerģiju kustīgu lādētu daļiņu enerģijā, citiem vārdiem sakot, elektrība. 

Lai pārvērstu gaismu elektrībā, mums ir nepieciešams fotoelektriskais pārveidotājs... Tādi pārveidotāji ir ļoti izplatīti, tie ir sastopami brīvajā tirdzniecībā, tie ir tā saucamie saules elementi - fotoelektriskie pārveidotāji no silīcija izgrieztu plākšņu veidā.

Labākie ir monokristāliski, to efektivitāte ir aptuveni 18%, tas ir, ja fotonu plūsmas no saules enerģijas blīvums ir 900 W / m2, tad jūs varat rēķināties ar 160 W elektroenerģijas saņemšanu no kvadrātmetra. akumulators, kas samontēts no šādām šūnām.

Šeit darbojas parādība, ko sauc par "fotoelektrisko efektu". Fotoelektriskais efekts jeb fotoelektriskais efekts — tā ir elektronu emisijas parādība no vielas (elektronu atdalīšanās no vielas atomiem) gaismas vai cita elektromagnētiskā starojuma ietekmē.

Jau 1900. gadāMakss Planks, kvantu fizikas tēvs, ierosināja, ka gaismu izstaro un absorbē atsevišķas daļiņas jeb kvanti, kurus vēlāk, 1926. gadā, ķīmiķis Gilberts Lūiss nosauks par "fotoniem".

Katram fotonam ir enerģija, ko var noteikt pēc formulas E = hv — Planka konstante, kas reizināta ar emisijas biežumu.

Saskaņā ar Maksa Planka ideju fenomens, ko 1887. gadā atklāja Hercs un pēc tam rūpīgi pētīja no 1888. līdz 1890. gadam Stoletovs, kļūst izskaidrojams. Aleksandrs Stoletovs eksperimentāli pētīja fotoelektrisko efektu un noteica trīs fotoelektriskā efekta likumus (Stoļetova likumi):

• Pie nemainīga uz fotokatodu krītošā elektromagnētiskā starojuma spektrālā sastāva piesātinājuma fotostrāva ir proporcionāla katoda apstarojumam (pretējā gadījumā: fotoelektronu skaits, kas izsists no katoda 1 s laikā, ir tieši proporcionāls starojuma intensitātei).

• Fotoelektronu maksimālais sākotnējais ātrums nav atkarīgs no krītošās gaismas intensitātes, bet tiek noteikts tikai pēc tās frekvences.

• Katrai vielai ir noteikta fotoelektriskā efekta sarkanā robeža, tas ir, minimālā gaismas frekvence (atkarībā no vielas ķīmiskās dabas un virsmas stāvokļa), zem kuras fotoefekts nav iespējams.

Vēlāk, 1905. gadā, Einšteins precizēja fotoelektriskā efekta teoriju. Viņš parādīs, kā gaismas kvantu teorija un enerģijas nezūdamības un konversijas likums lieliski izskaidro notiekošo un novēroto. Einšteins uzrakstīja vienādojumu fotoelektriskajam efektam, par kuru viņš saņēma Nobela prēmiju 1921.

Darba funkcijas Un šeit ir minimālais darbs, kas elektronam jāveic, lai atstātu vielas atomu.Otrais termins ir elektrona kinētiskā enerģija pēc izejas.

Tas ir, fotonu absorbē atoma elektrons, tāpēc elektrona kinētiskā enerģija atomā palielinās par absorbētā fotona enerģijas daudzumu.

Daļa šīs enerģijas tiek tērēta elektrona atstāšanai no atoma, elektrons atstāj atomu un iegūst iespēju brīvi kustēties. Un virzīti kustīgie elektroni nav nekas vairāk kā elektriskā strāva vai fotostrāva. Rezultātā var runāt par EML parādīšanos vielā fotoelektriskā efekta rezultātā.

Tas ir, saules baterija darbojas, pateicoties tajā strādājošajam fotoelektriskajam efektam. Bet kur fotoelektriskajā pārveidotājā paliek "izsistie" elektroni? Fotoelementu pārveidotājs vai saules baterija vai fotoelements ir pusvadītājs, tāpēc fotoefekts tajā rodas neparastā veidā, tas ir iekšējs fotoefekts, un tam pat ir īpašs nosaukums "vārstu fotoefekts".

Saules gaismas ietekmē pusvadītāja pn pārejā rodas fotoelektrisks efekts un parādās EML, bet elektroni neiziet no fotoelementa, viss notiek bloķējošā slānī, kad elektroni atstāj vienu ķermeņa daļu, pārejot uz citu. daļa no tā.

Silīcijs zemes garozā ir 30% no tā masas, tāpēc tas tiek izmantots visur. Pusvadītāju īpatnība kopumā slēpjas tajā, ka tie nav ne vadītāji, ne dielektriķi, to vadītspēja ir atkarīga no piemaisījumu koncentrācijas, no temperatūras un no starojuma iedarbības.

Joslas sprauga pusvadītājā ir daži elektronu volti, un tā ir tikai enerģijas starpība starp atomu augšējo valences joslas līmeni, no kura elektroni tiek izņemti, un zemāko vadītspējas līmeni. Silīcija joslas sprauga ir 1,12 eV — tieši tas, kas nepieciešams, lai absorbētu saules starojumu.

Tātad pn krustojums. Leģētie silīcija slāņi fotoelementā veido pn savienojumu. Šeit elektroniem ir enerģijas barjera, tie atstāj valences joslu un pārvietojas tikai vienā virzienā, caurumi pārvietojas pretējā virzienā. Tādā veidā tiek iegūta strāva saules baterijā, tas ir, elektroenerģijas ražošana no saules gaismas.

Pn savienojums, kas pakļauts fotonu iedarbībai, neļauj lādiņa nesējiem — elektroniem un caurumiem — pārvietoties citā veidā, nevis tikai vienā virzienā, tie atdalās un nonāk pretējās barjeras pusēs. Un, kad tas ir savienots ar slodzes ķēdi caur augšējo un apakšējo elektrodu, saules gaismai pakļautais fotoelektriskais pārveidotājs radīs ārējā ķēdē tiešā elektriskā strāva.