Detta är ett ställe du förmodligen är van vid att se solceller, men de kommer att dyka upp mer med åren. Se mer förnya rutnätsbilderna. Martin Barraud / Getty Images Du har förmodligen sett räknare med solceller - enheter som aldrig behöver batterier och i vissa fall har inte ens en av -knapp. Så länge det finns tillräckligt med ljus, de verkar fungera för alltid. Du kanske också har sett större solpaneler, kanske på nödvägsskyltar, uppringningsboxar, bojar och till och med på parkeringsplatser för att driva lamporna.
Även om dessa större paneler inte är lika vanliga som soldrivna räknare, de är där ute och inte så svåra att upptäcka om du vet var du ska leta. Faktiskt, solceller - som en gång nästan uteslutande användes i rymden, driver satelliternas elsystem redan 1958 - används mer och mer på mindre exotiska sätt. Tekniken fortsätter att dyka upp i nya enheter hela tiden, från solglasögon till laddningsstationer för elbilar.
Förhoppningen om en "solrevolution" har svävat runt i decennier - tanken att vi en dag alla ska använda gratis el från solen. Detta är ett förföriskt löfte, för på ett ljust, solig dag, solens strålar avger cirka 1, 000 watt energi per kvadratmeter av planetens yta. Om vi kunde samla all den energin, vi kunde enkelt driva våra hem och kontor gratis.
I denna artikel, vi kommer att undersöka solceller för att lära sig hur de omvandlar solens energi direkt till elektricitet. I processen, du kommer att lära dig varför vi närmar oss att använda solens energi dagligen, och varför vi fortfarande har mer forskning att göra innan processen blir kostnadseffektiv.
Innehåll
Solcellerna som du ser på miniräknare och satelliter kallas också fotovoltaiska (PV) celler, vilket som namnet antyder (foto som betyder "ljus" och voltaiskt betyder "elektricitet"), omvandla solljus direkt till elektricitet. En modul är en grupp celler som är anslutna elektriskt och förpackade i en ram (mer allmänt känd som en solpanel), som sedan kan grupperas i större soluppställningar, som den som verkar vid Nellis Air Force Base i Nevada.
Fotovoltaiska celler är gjorda av speciella material som kallas halvledare som kisel, som för närvarande används mest. I grund och botten, när ljus träffar cellen, en viss del av den absorberas i halvledarmaterialet. Det betyder att energin i det absorberade ljuset överförs till halvledaren. Energin slår elektroner loss, låta dem flyta fritt.
PV -celler har också alla ett eller flera elektriska fält som verkar för att tvinga elektroner som frigörs genom ljusabsorption att flöda i en viss riktning. Detta flöde av elektroner är en ström, och genom att placera metallkontakter på toppen och botten av PV -cellen, vi kan dra bort den strömmen för extern användning, säga, för att driva en räknare. Denna ström, tillsammans med cellens spänning (som är ett resultat av dess eller de inbyggda elektriska fälten), definierar den effekt (eller watt) som solcellen kan producera.
Det är den grundläggande processen, men det är verkligen mycket mer med det. På nästa sida, Låt oss ta en djupare titt på ett exempel på en PV-cell:den enkristalliga kiselcellen.
Går Solar, Blir gröntAtt lägga till solpaneler i ett befintligt hem kan vara dyrt - men det finns många andra sätt att göra ditt hem grönare. Läs mer om vad du kan göra för att skydda miljön på Discovery Channel's Planet Green.
President Barack Obama, Senatens majoritetsledare Harry Reid från Nevada, och överste Howard Belote, kollade in solpanelerna vid Nellis Air Force Base i Nevada i maj 2009. AP Photo/Charles Dharapak Kisel har några speciella kemiska egenskaper, särskilt i sin kristallina form. En atom av kisel har 14 elektroner, arrangerade i tre olika skal. De två första skalen - som rymmer två respektive åtta elektroner - är helt fulla. Det yttre skalet, dock, är bara halvfull med bara fyra elektroner. En kiselatom kommer alltid att leta efter sätt att fylla sitt sista skal, och för att göra detta, den kommer att dela elektroner med fyra närliggande atomer. Det är som om varje atom håller händerna med sina grannar, förutom att i detta fall, varje atom har fyra händer förenade med fyra grannar. Det är det som bildar kristallin struktur , och den strukturen visar sig vara viktig för denna typ av PV -cell.
Det enda problemet är att rent kristallint kisel är en dålig ledare av elektricitet eftersom ingen av dess elektroner är fria att röra sig, till skillnad från elektronerna i mer optimala ledare som koppar. För att lösa detta problem, kislet i en solcell har föroreningar - andra atomer blandas målmedvetet in med kiselatomerna- vilket förändrar hur saker fungerar lite. Vi brukar tänka på orenheter som något oönskat, men i det här fallet, vår cell skulle inte fungera utan dem. Tänk på kisel med en fosforatom här och där, kanske en för varje miljon kiselatomer. Fosfor har fem elektroner i sitt yttre skal, inte fyra. Det binder fortfarande med sina kiselgrannatomer, men på ett sätt, fosforet har en elektron som inte har någon att hålla i handen med. Det utgör inte en del av ett band, men det finns en positiv proton i fosforkärnan som håller den på plats.
När energi läggs till rent kisel, i form av värme till exempel, det kan få några elektroner att bryta sig loss från sina bindningar och lämna sina atomer. Ett hål lämnas kvar i varje fall. Dessa elektroner, kallad gratis transportörer , vandra sedan slumpmässigt runt det kristallina gallret och leta efter ett annat hål att falla i och bära en elektrisk ström. Dock, det finns så få av dem i rent kisel, att de inte är särskilt användbara.
Men vårt orena kisel med fosforatomer inblandade är en annan historia. Det tar mycket mindre energi att slå loss en av våra "extra" fosforelektroner eftersom de inte är bundna i en bindning med några närliggande atomer. Som ett resultat, de flesta av dessa elektroner bryter sig loss, och vi har mycket fler gratisbärare än vad vi skulle ha i rent kisel. Processen att lägga till föroreningar med avsikt kallas doping , och när de dopas med fosfor, det resulterande kislet kallas N-typ ("n" för negativ) på grund av förekomsten av fria elektroner. N-typ dopat kisel är en mycket bättre ledare än rent kisel.
Den andra delen av en typisk solcell är dopad med elementet bor, som bara har tre elektroner i sitt yttre skal istället för fyra, för att bli kisel av P-typ. Istället för att ha fria elektroner, P-typ ("p" för positivt) har fria öppningar och bär motsatt (positiv) laddning.
På nästa sida, vi ska titta närmare på vad som händer när dessa två ämnen börjar interagera.
Innan nu, våra två separata bitar av kisel var elektriskt neutrala; den intressanta delen börjar när du sätter ihop dem. Det beror på att utan en elektriskt fält , cellen skulle inte fungera; fältet bildas när N-typ och P-typ kisel kommer i kontakt. Plötsligt, de fria elektronerna på N -sidan ser alla öppningar på P -sidan, och det är en galet brådska att fylla dem. Fyller alla fria elektroner alla fria hål? Nej. Om de gjorde det då skulle inte hela arrangemanget vara särskilt användbart. Dock, precis vid korsning , de blandas och bildar något av en barriär, vilket gör det svårare och svårare för elektroner på N -sidan att korsa över till P -sidan. Så småningom, jämvikt uppnås, och vi har ett elektriskt fält som skiljer de två sidorna åt.
Detta elektriska fält fungerar som en diod , låta (och till och med skjuta) elektroner att flöda från P -sidan till N -sidan, men inte tvärtom. Det är som en kulle - elektroner kan lätt gå nerför backen (till N -sidan), men kan inte klättra upp den (till P -sidan).
I ljuset, i form av fotoner, träffar vår solcell, dess energi bryter isär elektronhålspar. Varje foton med tillräckligt med energi frigör normalt exakt en elektron, vilket resulterar i ett fritt hål också. Om detta händer tillräckligt nära det elektriska fältet, eller om fri elektron och fritt hål råkar vandra in i dess inflytande, fältet skickar elektronen till N -sidan och hålet till P -sidan. Detta orsakar ytterligare avbrott i elektrisk neutralitet, och om vi tillhandahåller en extern strömväg, elektroner kommer att flöda genom vägen till P -sidan för att förena sig med hål som det elektriska fältet skickade dit, gör arbete för oss längs vägen. Elektronflödet ger nuvarande , och cellens elektriska fält orsakar a Spänning . Med både ström och spänning, vi har kraft , som är produkten av de två.
Det finns några fler komponenter kvar innan vi verkligen kan använda vår cell. Kisel råkar vara ett mycket glänsande material, som kan skicka fotoner som hoppar iväg innan de har gjort sitt jobb, så
ett antireflekterande beläggning tillämpas för att minska dessa förluster. Det sista steget är att installera något som skyddar cellen från elementen - ofta a täckplatta av glas . PV -moduler tillverkas i allmänhet genom att ansluta flera enskilda celler för att uppnå användbara nivåer av spänning och ström, och placera dem i en robust ram komplett med positiva och negativa terminaler.
Hur mycket solljusenergi absorberar vår PV -cell? Tyvärr, förmodligen inte så himla mycket. Under 2006, till exempel, de flesta solpaneler nådde bara effektivitetsnivåer på cirka 12 till 18 procent. Det mest banbrytande solpanelsystemet det året muskulerade slutligen över branschens mångåriga barriär på 40 procent för soleffektivitet-uppnådde 40,7 procent [källa:U.S. Department of Energy]. Så varför är det en sådan utmaning att få ut det mesta av en solig dag?
Den välbekanta synen på en regnbåge representerar bara en skiva av det större elektromagnetiska spektrumet. © iStockphoto.com/nataq Synligt ljus är bara en del av det elektromagnetiska spektrumet. Elektromagnetisk strålning är inte monokromatisk - den består av en rad olika våglängder, och därför energinivåer. (Se hur ljus fungerar för en bra diskussion om det elektromagnetiska spektrumet.)
Ljus kan delas in i olika våglängder, som vi kan se i form av en regnbåge. Eftersom ljuset som träffar vår cell har fotoner av ett brett spektrum av energier, det visar sig att några av dem inte har tillräckligt med energi för att ändra ett elektronhålspar. De kommer helt enkelt att passera genom cellen som om den vore transparent. Fortfarande andra fotoner har för mycket energi. Bara en viss mängd energi, mätt i elektronvolt (eV) och definierat av vårt cellmaterial (cirka 1,1 eV för kristallint kisel), krävs för att slå loss en elektron. Vi kallar detta för bandgap energi av ett material. Om en foton har mer energi än den erforderliga mängden, då går den extra energin förlorad. (Det är, om inte en foton har dubbelt så mycket energi, och kan skapa mer än ett elektronhålspar, men denna effekt är inte signifikant.) Dessa två effekter ensamma kan stå för förlusten av cirka 70 procent av strålningsenergin som inträffar på vår cell.
Varför kan vi inte välja ett material med ett riktigt lågt bandgap, så vi kan använda fler av fotonerna? Tyvärr, vårt bandgap bestämmer också styrkan (spänningen) för vårt elektriska fält, och om det är för lågt, sedan vad vi gör upp i extra ström (genom att absorbera fler fotoner), vi förlorar genom att ha en liten spänning. Kom ihåg att ström är spänning gånger ström. Det optimala bandgapet, balansera dessa två effekter, är runt 1,4 eV för en cell tillverkad av ett enda material.
Vi har andra förluster också. Våra elektroner måste flöda från ena sidan av cellen till den andra genom en extern krets. Vi kan täcka botten med en metall, möjliggör god ledning, men om vi helt täcker toppen, då kan fotoner inte ta sig igenom den ogenomskinliga ledaren och vi förlorar all vår ström (i vissa celler, transparenta ledare används på ovansidan, men inte alls). Om vi bara sätter våra kontakter på sidorna av vår cell, då måste elektronerna resa en extremt lång sträcka för att nå kontakterna. Kom ihåg, kisel är en halvledare - den är inte alls lika bra som en metall för att transportera ström. Dess inre motstånd (kallas seriemotstånd ) är ganska hög, och högt motstånd innebär höga förluster. För att minimera dessa förluster, celler täcks vanligtvis av ett metalliskt kontaktgaller som förkortar avståndet som elektroner måste resa medan de bara täcker en liten del av cellytan. Ändå, vissa fotoner blockeras av nätet, som inte kan vara för liten eller så blir dess eget motstånd för högt.
Nu när vi vet hur en solcell fungerar, låt oss se vad som krävs för att driva ett hus med tekniken.
Precis som blommor är bäst riktade mot den strålande solen, så är också solpaneler. © iStockphoto.com/AndreasWeber Vad skulle du behöva göra för att driva ditt hus med solenergi? Även om det inte är så enkelt som att bara slå några moduler på ditt tak, det är inte extremt svårt att göra, antingen.
För det första, inte varje tak har rätt orientering eller lutningsvinkel att dra full nytta av solens energi. Icke-spårande PV-system på norra halvklotet bör helst peka mot riktiga söder, även om orienteringar som vetter mot mer östlig och västlig riktning också kan fungera, om än genom att offra olika grader av effektivitet. Solpaneler bör också lutas i en vinkel så nära områdets latitud som möjligt för att absorbera den maximala energimängden året runt. En annan inriktning och/eller lutning kan användas om du vill maximera energiproduktionen för morgonen eller eftermiddagen, och/eller sommaren eller vintern. Självklart, modulerna får aldrig skuggas av närliggande träd eller byggnader, oavsett tid på dagen eller årstiden. I en PV -modul, om bara en av dess celler är skuggade, kraftproduktionen kan minskas avsevärt.
Om du har ett hus med en oskärmad, tak i söderläge, du måste bestämma vilket storlekssystem du behöver. Detta kompliceras av fakta att din elproduktion beror på vädret, som aldrig är helt förutsägbar, och att ditt elbehov också kommer att variera. Lyckligtvis, dessa hinder är ganska lätta att ta bort. Meteorologiska data ger genomsnittliga månatliga solljusnivåer för olika geografiska områden. Detta tar hänsyn till nederbörd och molniga dagar, liksom höjd, luftfuktighet och andra mer subtila faktorer. Du borde designa för den värsta månaden, så att du har tillräckligt med el året runt. Med den informationen och din genomsnittliga hushållsefterfrågan (din elräkning låter dig bekvämt veta hur mycket energi du använder varje månad), det finns enkla metoder du kan använda för att avgöra hur många PV -moduler du behöver. Du måste också bestämma om en systemspänning, som du kan styra genom att bestämma hur många moduler som ska kopplas i serie.
Du kanske redan har gissat ett par problem som vi måste lösa. Först, vad gör vi när solen inte skiner?
Tanken på att leva efter vädermanens infall är nog inte spännande för de flesta, men tre huvudalternativ kan se till att du fortfarande har ström även om solen inte samarbetar. Om du vill leva helt utanför nätet, men lita inte på att dina PV -paneler levererar all el du behöver i en nypa, du kan använda en backupgenerator när soltillförseln tar slut. Det andra fristående systemet innebär energilagring i form av batterier. Tyvärr, batterier kan lägga mycket kostnad och underhåll till ett PV -system, men det är för närvarande en nödvändighet om du vill vara helt oberoende.
Alternativet är att ansluta ditt hus till elnätet, köpkraft när du behöver den och säljer den tillbaka när du producerar mer än du använder. Den här vägen, verktyget fungerar som ett praktiskt taget oändligt lagringssystem. Tänk dock på, statliga bestämmelser varierar beroende på plats och kan komma att ändras. Ditt lokala verktygsföretag kan eventuellt vara skyldigt att delta, och återköpspriset kan variera mycket. Du kommer antagligen också att behöva specialutrustning för att se till att kraften du vill sälja elföretaget är kompatibel med sin egen. Säkerhet är också en fråga. Verktyget måste se till att om det finns ett strömavbrott i ditt grannskap, ditt solcellsanläggning kommer inte att fortsätta mata elektricitet till kraftledningar som en lineman tror är döda. Detta är en farlig situation som kallas ön , men det kan undvikas med en inverterare mot ön-något vi kommer till på nästa sida.
Om du bestämmer dig för att använda batterier istället, kom ihåg att de måste underhållas, och byts sedan ut efter ett visst antal år. De flesta solpaneler tenderar att hålla cirka 30 år (och förbättrad livslängd är verkligen ett forskningsmål), men batterier har bara inte den typen av livslängd [källa:National Renewable Energy Laboratory]. Batterier i PV -system kan också vara mycket farliga på grund av energin de lagrar och de sura elektrolyter de innehåller, så du behöver en välventilerad, icke -metallisk kapsling för dem.
Även om flera olika typer av batterier vanligtvis används, en egenskap som de alla bör ha gemensamt är att de är det djupcykelbatterier . Till skillnad från ditt bilbatteri, vilket är ett grundcykelbatteri, djupcykelbatterier kan ladda ur mer av sin lagrade energi samtidigt som de håller länge. Bilbatterier laddar ur en stor ström under mycket kort tid - för att starta din bil - och laddas sedan omedelbart när du kör. PV -batterier måste i allmänhet ladda ur en mindre ström under en längre tid (t.ex. på natten eller vid strömavbrott), medan du debiteras under dagen. De vanligaste djupcykelbatterierna är blybatterier (både förseglade och ventilerade) och nickel-kadmiumbatterier , båda har olika fördelar och nackdelar.
På nästa sida, vi gräver lite djupare i komponenterna som behövs för att solen ska kunna börja spara lite pengar.
Denna enkla schematik visar hur ett PV -system för bostäder ofta kommer att ta form. HowStuffWorks 2000 Användning av batterier kräver installation av en annan komponent som kallas a laddningsregulator . Batterier håller mycket längre om de inte överladdas eller dräneras för mycket. Det är vad en laddningsregulator gör. När batterierna är fulladdade, laddningsregulatorn låter inte ström från PV -modulerna fortsätta att strömma in i dem. Liknande, när batterierna har tömts till en viss förutbestämd nivå, styrs genom att mäta batterispänning, många laddningsregulatorer tillåter inte att mer ström dräneras ur batterierna förrän de har laddats upp. Användningen av en laddningsregulator är avgörande för lång batteritid.
Det andra problemet förutom energilagring är att elen från dina solpaneler, och extraheras ur dina batterier om du väljer att använda dem, är inte i den form som levereras av ditt verktyg eller används av de elektriska apparaterna i ditt hus. Elen som genereras av ett solsystem är likström, så du behöver en växelriktare för att omvandla den till växelström. Och som vi diskuterade på förra sidan, förutom att växla DC till AC, vissa växelriktare är också utformade för att skydda mot ön om ditt system är anslutet till elnätet.
De flesta stora växelriktare låter dig automatiskt styra hur ditt system fungerar. Vissa PV -moduler, kallad AC -moduler , har faktiskt en inverter redan inbyggd i varje modul, eliminerar behovet av en stor, central inverter, och förenkla kabelfrågor.
Släng in monteringsutrustningen, ledningar, kopplingsdosor, jordningsutrustning, överströmsskydd, DC- och AC -kopplingar och andra tillbehör, och du har själv ett system. Du måste följa elektriska koder (det finns ett avsnitt i National Electrical Code bara för PV), och det rekommenderas starkt att en behörig elektriker som har erfarenhet av PV -system utför installationen. Efter installationen, ett PV -system kräver mycket lite underhåll (särskilt om inga batterier används), och kommer att ge el rent och tyst i 20 år eller mer.
Solceller har länge varit en grundpelare på satelliter; var hamnar de i framtiden? © iStockphoto.com/iLexx Vi har pratat mycket om hur ett typiskt PV -system fungerar, men frågor som rör kostnadseffektivitet (som vi kommer in på mer på nästa sida) har anfört oändliga forskningsinsatser som syftar till att utveckla och finjustera nya sätt att göra solenergi alltmer konkurrenskraftig med traditionella energikällor.
Till exempel, enkristallkisel är inte det enda materialet som används i PV-celler. Polykristallint kisel används i ett försök att sänka tillverkningskostnaderna, även om de resulterande cellerna inte är lika effektiva som enkristallkisel. Andra generationens solcellsteknik består av det som kallas tunnfilms solceller . Även om de också tenderar att offra lite effektivitet, de är enklare och billigare att producera - och de blir mer effektiva hela tiden. Tunnfilmsolceller kan tillverkas av en mängd olika material, inklusive amorft kisel (som inte har någon kristallin struktur), galliumarsenid, kopparindiumdiselenid och kadmiumtellurid.
En annan strategi för att öka effektiviteten är att använda två eller flera lager av olika material med olika bandgap. Kom ihåg att beroende på ämnet, fotoner med olika energier absorberas. Så genom att stapla material med högre bandgap på ytan för att absorbera fotoner med hög energi (samtidigt som fotoner med lägre energi kan absorberas av materialet med lägre bandgap under), mycket högre effektivitet kan uppstå. Sådana celler, kallad multi-junction-celler , kan ha mer än ett elektriskt fält.
Koncentrerande solcellsteknik är ett annat lovande utvecklingsområde. Istället för att helt enkelt samla in och konvertera en del av allt solljus som bara råkar lysa ner och omvandlas till elektricitet, koncentrerade PV -system använder tillägg av optisk utrustning som linser och speglar för att fokusera större mängder solenergi på mycket effektiva solceller. Även om dessa system i allmänhet är dyrare att tillverka, de har ett antal fördelar jämfört med konventionella solpaneluppsättningar och uppmuntrar till fortsatta forsknings- och utvecklingsinsatser.
Alla dessa olika versioner av solcellsteknologi har företag som drömmer om applikationer och produkter som kör spektrumet, från soldrivna flygplan och rymdbaserade kraftstationer till mer vardagliga föremål som PV-drivna gardiner, kläder och bärbara fodral. Inte ens miniatyrvärlden av nanopartiklar utelämnas, och forskare undersöker till och med potentialen för organiskt producerade solceller.
Men om solceller är en sådan underbar källa till fri energi, varför går inte hela världen på solenergi?
Solceller kan fortfarande vara lite dyra, men de blir billigare år för år. © iStockphoto.com/acilo Vissa människor har ett bristfälligt begrepp om solenergi. Även om det är sant att solljuset är fritt, elen som genereras av PV -system är inte. Det finns många faktorer som är inblandade för att avgöra om installation av ett solcellsanläggning är värt priset.
Först, det är frågan om var du bor. Människor som bor i soliga delar av världen börjar med en större fördel än de som bosätter sig på mindre soldränkta platser, eftersom deras PV -system generellt kan generera mer el. Kostnaden för verktyg i ett område bör räknas in ovanpå det. Elpriserna varierar mycket från plats till plats, så någon som bor längre norrut kan fortfarande överväga att gå på sol om deras priser är särskilt höga.
Nästa, det finns installationskostnaden; som du säkert märkte från vår diskussion om ett hushålls -PV -system, det behövs en hel del hårdvara. Från och med 2009, en solpanelsinstallation för bostäder i genomsnitt var mellan $ 8 och $ 10 per watt att installera [källa:National Renewable Energy Laboratory]. Ju större systemet, desto mindre kostar det vanligtvis per watt. Det är också viktigt att komma ihåg att många solenergisystem inte helt täcker elbelastningen 100 procent av tiden. Risken är, du har fortfarande en strömräkning, även om det säkert kommer att vara lägre än om det inte fanns några solpaneler på plats.
Trots etikettpriset, det finns flera möjliga sätt att täcka kostnaden för ett solcellsanläggning för både invånare och företag som är villiga att uppgradera och använda solceller. Dessa kan komma i form av federala och statliga skatteincitament, energibolagsrabatter och andra finansieringsmöjligheter. Plus, beroende på hur stor solpanelinstallationen är - och hur bra den fungerar - kan den hjälpa till att betala sig snabbare genom att skapa enstaka överskott av ström. Till sist, Det är också viktigt att ta hänsyn till uppskattningar av hemvärdet. Att installera ett solcellsanläggning förväntas lägga till tusentals dollar till värdet av ett hem.
Just nu, solenergi har fortfarande lite svårt att konkurrera med verktygen, men kostnaderna sjunker när forskning förbättrar tekniken. Advokaterna är övertygade om att PV en dag kommer att vara kostnadseffektivt i såväl stadsområden som på avlägsna platser. En del av problemet är att tillverkningen måste göras i stor skala för att minska kostnaderna så mycket som möjligt. Den typen av efterfrågan på PV, dock, existerar inte förrän priserna sjunker till konkurrenskraftiga nivåer. Det är en catch-22. Ändå, när efterfrågan och moduleffektiviteten stiger ständigt, priserna sjunker, och världen blir alltmer medveten om de miljöhänsyn som är förknippade med konventionella strömkällor, det är troligt att solceller kommer att ha en lovande framtid.
För mer information om solceller och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
