Kuinka aurinkoenergian muuntaminen sähköenergiaksi toimii

Monet meistä ovat kohdanneet aurinkokennoja tavalla tai toisella. Joku on käyttänyt tai käyttää aurinkopaneeleilla sähkön tuottamiseen kotitalouskäyttöön, joku käyttää pientä aurinkopaneelia lataamaan lempparilaitteitaan kentällä ja joku on varmasti nähnyt pienen aurinkokennon mikrolaskimessa. Jotkut jopa olivat onnekkaita vieraillessaan hänen luonaan aurinkovoimala. 

Mutta oletko koskaan miettinyt, kuinka aurinkoenergian muuntaminen sähköksi toimii? Mikä fysikaalinen ilmiö on kaikkien näiden aurinkokennojen toiminnan taustalla? Käännytään fysiikkaan ja ymmärretään sukupolviprosessi yksityiskohtaisesti.

Alusta alkaen on selvää, että energian lähde täällä on auringonvalo tai tieteellisesti sanottuna Sähköenergia syntyy auringon säteilyn fotonien ansiosta. Nämä fotonit voidaan esittää Auringosta jatkuvasti liikkuvana alkuainehiukkasvirtana, joista jokaisella on energiaa, ja siksi koko valovirta kuljettaa jonkinlaista energiaa.

Auringon jokaiselta neliömetriltä säteilee jatkuvasti 63 MW energiaa säteilyn muodossa! Tämän säteilyn maksimivoimakkuus osuu näkyvän spektrin alueelle - aallonpituuksilla 400-800 nm. 

Joten tutkijat ovat havainneet, että auringonvalon virtauksen energiatiheys etäisyydellä Auringosta Maahan on 149600000 kilometriä ilmakehän läpi kulkemisen jälkeen ja planeettamme pinnan saavuttaessa keskimäärin noin 900 wattia neliötä kohti. mittari.

Täällä voit hyväksyä tämän energian ja yrittää saada siitä sähköä, eli muuttaa auringon valovirran energiaa liikkuvien varautuneiden hiukkasten energiaksi, toisin sanoen sähköä. 

Valon muuttamiseksi sähköksi tarvitsemme valosähköisen muuntimen... Tällaiset muuntimet ovat hyvin yleisiä, niitä löytyy vapaakaupasta, nämä ovat niin sanotut aurinkokennot - aurinkosähkömuuntimet piistä leikattujen levyjen muodossa.

Parhaat ovat yksikiteisiä, niiden hyötysuhde on noin 18%, eli jos auringosta tulevan fotonivirran energiatiheys on 900 W / m2, voit luottaa saavansa 160 W sähköä neliömetriltä. sellaisista kennoista koottu akku.

Ilmiö, jota kutsutaan "valosähköiseksi efektiksi", toimii täällä. Valosähköinen vaikutus tai valosähköinen vaikutus - Tämä on ilmiö, jossa elektroneja emissoidaan aineesta (ilmiö elektronien irtoamisesta aineen atomeista) valon tai muun sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta.

Jo vuonna 1900Max Planck, kvanttifysiikan isä, ehdotti, että yksittäiset hiukkaset eli kvantit säteilevät ja absorboivat valoa, joita kemisti Gilbert Lewis kutsui myöhemmin, vuonna 1926 "fotoneiksi".

Jokaisella fotonilla on energia, joka voidaan määrittää kaavalla E = hv — Planckin vakio kerrottuna emission taajuudella.

Max Planckin ajatuksen mukaisesti Hertzin vuonna 1887 löytämä ja Stoletovin vuosina 1888-1890 perusteellisesti tutkima ilmiö tulee selitettäviksi. Aleksanteri Stoletov tutki kokeellisesti valosähköistä vaikutusta ja loi kolme valosähköisen vaikutuksen lakia (Stoletovin lait):

• Kun valokatodille osuvan sähkömagneettisen säteilyn spektrikoostumus on vakio, kyllästysvalovirta on verrannollinen katodin säteilytykseen (muuten: katodista 1 sekunnissa syrjäytyneiden fotoelektronien lukumäärä on suoraan verrannollinen säteilyn intensiteettiin).

• Valoelektronien suurin alkunopeus ei riipu tulevan valon intensiteetistä, vaan sen määrää vain sen taajuus.

• Jokaisella aineella on valosähköisen vaikutuksen punainen raja, eli valon minimitaajuus (riippuen aineen kemiallisesta luonteesta ja pinnan tilasta), jonka alapuolella valovaikutus on mahdoton.

Myöhemmin, vuonna 1905, Einstein selvensi valosähköisen vaikutuksen teoriaa. Hän näyttää, kuinka valon kvanttiteoria ja energian säilymisen ja muuntamisen laki selittää täydellisesti, mitä tapahtuu ja mitä havaitaan. Einstein kirjoitti valosähköisen efektin yhtälön, josta hän voitti Nobel-palkinnon vuonna 1921:

Työfunktiot Ja tässä on minimityö, joka elektronin on tehtävä poistuakseen aineen atomista.Toinen termi on elektronin kineettinen energia poistumisen jälkeen.

Toisin sanoen fotoni absorboituu atomin elektroniin, joten elektronin kineettinen energia atomissa kasvaa absorboituneen fotonin energiamäärällä.

Osa tästä energiasta kuluu elektronin poistumiseen atomista, elektroni poistuu atomista ja saa mahdollisuuden liikkua vapaasti. Ja suunnatut liikkuvat elektronit eivät ole muuta kuin sähkövirtaa tai valovirtaa. Tämän seurauksena voimme puhua EMF:n esiintymisestä aineessa valosähköisen vaikutuksen seurauksena.

Eli aurinkoparisto toimii siinä toimivan valosähköisen vaikutuksen ansiosta. Mutta mihin "poistetut" elektronit menevät aurinkosähkömuuntimessa? Aurinkosähkömuunnin tai aurinkokenno tai valokenno on puolijohdeSiksi valokuvatehoste esiintyy siinä epätavallisella tavalla, se on sisäinen valokuvatehoste, ja sillä on jopa erityinen nimi "venttiilivalokuvatehoste".

Auringonvalon vaikutuksesta syntyy valosähköinen vaikutus puolijohteen pn-liitoksessa ja EMF ilmaantuu, mutta elektronit eivät poistu valokennosta, kaikki tapahtuu sulkukerroksessa, kun elektronit poistuvat yhdestä kehon osasta siirtyen toiseen osa sitä.

Maankuoren pii on 30 % sen massasta, minkä vuoksi sitä käytetään kaikkialla. Puolijohteiden erikoisuus yleensä on siinä, että ne eivät ole johtimia eivätkä eristeitä, vaan niiden johtavuus riippuu epäpuhtauksien pitoisuudesta, lämpötilasta ja säteilyn vaikutuksesta.

Puolijohteen kaistaväli on muutama elektronivoltti, ja se on vain energiaero atomien ylemmän valenssikaistan tason, josta elektronit poistuvat, ja alemman johtavuustason välillä. Piin kaistanväli on 1,12 eV – juuri se, mitä tarvitaan auringon säteilyn absorboimiseen.

Siis pn-risteys. Seostetut piikerrokset valokennossa muodostavat pn-liitoksen. Täällä on energiaeste elektroneille, ne poistuvat valenssikaistalta ja liikkuvat vain yhteen suuntaan, reiät liikkuvat vastakkaiseen suuntaan. Näin saadaan aurinkokennon virta eli sähkön tuotanto auringonvalosta.

Fotonien vaikutukselle alttiina oleva pn-liitos ei salli varauksenkuljettajien — elektronien ja reikien — liikkumista muulla tavalla kuin vain yhteen suuntaan, ne erottuvat ja päätyvät esteen vastakkaisille puolille. Ja kun aurinkosähkömuunnin on liitetty kuormapiiriin ylemmän ja alemman elektrodin kautta, auringonvalolle alttiina oleva aurinkosähkömuunnin luo ulkoiseen piiriin tasavirtaa.