Hogyan történik a napenergia elektromos energia átalakítása?
Sokan közülünk valamilyen módon találkoztak napelemekkel. Valaki vagy használt napelemeket használ villamos energiát háztartási célra, hogy valaki használ egy kis napelem, hogy töltse fel kedvenc szerkentyű a területen, és valaki biztos látta, hogy egy kis napelem a számológép. Néhányan szerencsére is volt egy naperőmű meglátogatása.
De gondoltál már arra, hogy folyik a napenergia elektromos energia átalakításának folyamata? Milyen fizikai jelenség képezi az összes napelem sejtjeit? Forduljunk a fizikához, és részletesen megértsük a generáció folyamatát.
A kezdetektől nyilvánvaló, hogy itt az energiaforrás napfény, vagy tudományos értelemben az elektromos energiát a napsugárzás fotonjain keresztül nyerik. Ezeket a fotonokat úgy lehet elképzelni, mint a Napból folyamatosan mozgó elemi részecskék áramlását, amelyek mindegyikének van energiája, és ennek következtében az egész fényáram önmagában is energiát hordoz.
A Nap felszínének minden négyzetméterétől sugárzás formájában folyamatosan 63 MW sugárzás keletkezik! A sugárzás maximális intenzitása a látható spektrumhullámok tartományára esik, amelyek hossza 400-800 nm.
Tehát, a kutatók megállapították, hogy a fény fluxus a napenergia el a nap a földre kilométeres 149600000, miután áthalad a légkör és eléri a bolygó felszínén, átlagosan mintegy 900 watt négyzetméterenként.
Itt az energia felvehető és megpróbálhat villamos energiát szerezni, vagyis a nap fényáramának energiáját a mozgó töltésű részecskék energiájává, egyszerűen, elektromos áramká alakítja át.
A fény villamos energiává való átalakításához fényelektromos átalakítóra van szükség. Az ilyen átalakítók nagyon gyakoriak, szabad forgalomban vannak, úgynevezett napelemek - fotoelektromos átalakítók szilícium lemezekből készült szilikonlemezek formájában.
A legjobb - egykristály, hogy körülbelül 18% -os hatásfok, azaz, ha a foton fluxus a nap energiája sűrűsége 900 W / m, akkor lehetséges, hogy elvárják, hogy a villamos 160 watt per négyzetméter egy akkumulátor összeállított ilyen sejtekből.
A "photoeffect" néven ismert jelenség itt működik. A fotoelektromos effektus vagy a fotoelektromos effektus az anyag elektronanyag-kibocsátásának jelensége (az elektronok elektronanyagból való eltávolítása az anyagi atomoktól) fény vagy más elektromágneses sugárzás hatására.
Még 1900-ban, Max Planck, az apa a kvantumfizika, azt javasolta, hogy a kisugárzott fény és felszívódik diszkrét részei vagy quanta, amely később, azaz 1926-ban, vegyész Gilbert Lewis hívja „fotonok”.
Minden fotonnak van egy olyan energiája, amelyet az E = h # 8729; # 957; - A Planck állandója a sugárzás frekvenciájával megszorozva.
Max Palanca elképzelése szerint a Hertzben 1887-ben felfedezett jelenség megmagyarázhatóvá vált, majd Stoletov 1888 és 1890 között alaposan tanulmányozta. Alexander Stoletov kísérletileg tanulmányozta a fotoelektromos hatást és megállapította a fotóelektromos hatás három törvényét (Stoletov törvényei):
Az állandó spektrális összetételét az elektromágneses sugárzást a fotokatód, a telítési fotoáram arányos fényenergia a katód (aka: a fotoelektronok száma bocsát ki az 1 katód c, egyenesen arányos a sugárzási intenzitás).
A fotoelektronok maximális kezdeti sebessége nem függ az incidens fény intenzitásától, de csak a frekvenciája határozza meg.
Minden egyes anyag esetében a fotoelektromos hatás vörös határa van, vagyis a fény minimális frekvenciája (az anyag kémiai természetétől és a felület állapotától függően), amely alatt a fotoelektromos hatás lehetetlen.
Később 1905-ben a fotoelektromos hatás elméletét Einstein tisztázza. Meg fogja mutatni, hogy a fény kvantumelmélete és az energia megőrzésének és átalakításának törvénye tökéletesen megmagyarázza, hogy mi történik és mi megfigyelhető. Einstein leírja a fotoelektromos hatás egyenletét, amelyért 1921-ben megkapja a Nobel-díjat:
A munka kilépése Itt van az a legkisebb munka, amit egy elektronnak meg kell tennie ahhoz, hogy hagyjon egy anyag atomját. A második kifejezés egy elektron kinetikus energiája a kilépése után.
Ez azt jelenti, hogy a fotont az atom elektronja abszorbeálja, így az elektron elektron kinetikus energiája növekszik az abszorbeált foton energia mennyiségével.
Ennek az energianak egy részét egy atom elektronból származtatják, az elektron elhagyja az atommagot, és szabad mozgást kap. Az iránytű mozgó elektronok nem más, mint egy elektromos áram vagy fényáram. Ennek eredményeként az EMF megjelenése az anyagban a fotoelektromos hatás következtében beszélhetünk.
Ezért a napelem a fotoelektromos hatásnak köszönhetően működik benne. De hol helyezkednek el a "kopogtatott" elektronok a fotoelektromos átalakítóban? A fotoelektromos átalakító vagy a napelem vagy fotocella egy félvezető. így a fényelektromos effektus szokatlanul bekövetkezik, belső fotóelektromos hatás, és még egy speciális "kapuszerű fotóhatásnak" is nevezik.
Hatása alatt a napfény a p-n átmenet félvezető és fotoelektromos hatás lép fel EMF jelenik meg, de nem kilépő elektronok a fotocella, mindent történik a záróréteget, amikor az elektronok az egyik része a test, átadva a többi részét.
A földkéregben lévő szilícium tömege 30% -a, ezért mindenhol használják. A félvezetők sajátossága abban rejlik, hogy nem vezetők, és nem dielektrikumok, vezetőképességük a szennyeződések koncentrációjától, a sugárzás hőmérsékletétől és hatásától függ.
A félvezetőben lévő sávhézag szélessége több elektronvolt, és pontosan ez az energia különbség az atomok kovalens sávjának felső szintje között, amelyektől az elektronok kitöljenek és a vezető sáv alacsonyabb szintje. A szilíciumban a tiltott sáv szélessége 1,12 eV - csak a napsugárzás elnyeléséhez szükséges mennyiség.
Tehát a p-n átmenet. Az adalékolt szilícium rétegek a fotocellában egy pn csomópontot képeznek. Itt kapunk egy energiahatárt az elektronok számára, elhagyják a valenciasávot, és csak egy irányban mozognak, az ellenkező irányba a lyukak mozognak. Így alakul ki a napelemben levő áram, vagyis a napfénytől történő villamosenergia-termelés.
A fotonok hatásának kitett P-n csatlakozás nem teszi lehetővé a töltéshordozók elektronjait és lyukakat, hogy másképp mozogjanak, mint csak egy irányban, elkülönülnek és a zárófelület két oldalán végződnek. A felső és az alsó elektródákkal a terhelési áramkörhöz csatlakoztatva a napfény hatásának kitett fotoelektromos átalakító állandó áramot hoz létre a külső áramkörben.