神奇的電學 青年大學習：教你如何用太陽發電。

發明天才的人真是個太陽能 我like gold 衆所周知 太陽能作爲咱們藍星上既環保又免費的新型能源 一直秉承着有光就發電 沒光則絕對不會發電的基本原則 咦 這句話怎麼聽着有些耳熟呢 這就是不需要電池的太陽能手電筒 在有光的時候它就會亮 那如果沒有光的時候 絕對不亮 那究竟我們是如何通過光線發電的呢 打死你你都想不到 它的工作原理就是二極管 我們都知道二極管具有單向導通的作用 它內部的片元節由於摻雜 會生成空穴和自由電子 正向通電時 自由電子會不斷的填滿空穴 以此接通電路 其中LED燈就是一種非常常見的二極管 正向導通時 它的表現就是發光 那如果我們將光照到LED燈上呢 左邊的萬用表竟然出現了電壓值 這說明用光照射LED 可以反向產生電 同樣我們用二極管做實驗 也能看到電壓值的變化 所以說太陽能板與二極管 其實都是一個麻生的 只是它們的組裝模式不太一樣而已 我們常見的太陽能板都是一層薄片 有的是藍色皮膚 有的是綠色皮膚 但無論呈現什麼膚色 它們的主要成分都是硅晶體 每個單獨的晶體硅 都存在不同方向的獨立原子組合 這也就是太陽能電池效率低的原因 硅用人話講就是沙子 我們用它融合一些煤炭 加入高溫電葫蘆中電化 就能得到大塊的原始硅元素 怎麼樣是不是非常漂亮 接下來我們將硅塊壓成粉 與氯化氫混合 蒸煮成氣體 隨後通過蒸餾去除雜質 最後進入反應器 將其聚集在冷凝棒的表面 從而形成了99.9999999%的 純硅元素棒 接下來再把硅棒搗碎融化 冷卻後就製成了王八的屁股 硅釘 隨着溫度的降低 硅釘內的原子會結合形成晶體 最後通過刀削切割 我們就得到了完美的硅片 它也是製作太陽能板的主材料 太陽能板的結構非常簡單 最底層鋪一塊金屬導電板 作爲電路正極 第二層則是我們剛剛製作的硅元素層 當然它並不是簡單的純硅製作 而是一種摻雜型半導體材質 它一般會被分爲兩個部分 由底部的硅棚半導體 和頂部的硅磷半導體組成 這樣兩者之間就能形成PN結 沒錯 就是我們熟知的二極管PN結 接下來在硅半導體表面 鋪一塊防反射塗層 和架構用的金屬格紗網 這些網格就是太陽能板的負極 我們把其中的細構稱作脂狀物 而頭部的粗構則叫會流條 脂狀物會與硅半導體直接接觸 用於收集釋放出的電子 並將這些電子引入會流條 從而導入外部電路 在這個過程中 我們爲了儘可能多的收集光線 就需要爭取將金屬脂狀物 做得更細構 而更密集的脂狀物 也有利於收集更多的電子 但是這也會造成更多的光線被遮擋 而且由於硅的反光性比較強 所以鋪一層防反射材料 是非常有必要的 當然你也可以將面板的表面 做得粗糙一點 這樣也有助於降低光的反射性 以提高光板的使用效率 好了 其實到這裏 我們的太陽能板 也就可以正常工作了 只是有一個小問題 就是它的結構非常單薄 一掰就碎 所以最後一步 我們需要在太陽能板的最外側 鋪設一塊玻璃作爲光板保護層 以確保它的穩定耐用性 好了 至此我們的太陽能光輻板 就算是大功告成了 是不是還挺簡單呢 瞭解了光輻板的工作組成 但你知道它是如何工作的嗎 我們將硅原子的外殼撬開 你會發現它身體內有14個電子 其中最外部的架電子層 有4個電子 相鄰的硅原子之間 會共用它們的外層電子 從而形成8電子的穩定形態 What a doll 此時的硅真的是穩如老狗 在常溫下絕對不會導電 我們都知道 電流需要自由電子移動才能形成 那咋辦呢 誒 這時候我們就需要給硅原素 摻點東西了 首先 在其中一側 用一些磷原素代替硅原素 因爲磷最外層有5個電子 其中4個被共享後 還能多出1個 變成自由電子開始遊蕩 接下來 再將另一側的硅原素 用硼原素替代 硼原素最外層有3個電子 所以在共架後 會缺少1個電子 從而形成空穴 這樣我們就得到了一個 電子負一層 和一個空穴帶補層 將它們結合在一起 就是我們常說的pn結 其中n代表負極 因爲電子帶負電 而p則代表正極 因爲空穴中缺少電子嘛 在它們兩者的結合處 一部分空穴被自由電子填滿 形成室內 組建出一個帶輕微正電的區域 和一個輕微帶負電的區域 從而產生了電場 電場會阻止電子和空穴的進一步結合 從而形成了pn結中的後禁區 當太陽光照射到太陽能板時 光子會穿透n型半導體 到達pn結 並從pn結內的原子上撞掉一個電子 使其釋放並留下一個新的空穴 由於原本的pn結內並不存在這兩樣東西 所以新生成的自由電子 會被電場推至上層的n型半導體 而新的空穴 也會被p型半導體的電子迅速填滿 緊接着下面的又會補充上面的 以此類推 保持一個蘿蔔一個坑 最後將空穴漂移至p型半導體表面 當大量的光子射入時 正電荷和負電荷就會在pn兩極聚集 從而產生了電壓 此時如果我們將pn兩極連通 電子就會通過導線從n流向p 以滿足與空穴的重新結合 就這樣 在光子一輪又一輪的猛烈衝擊下 射出的電子也在不停的填滿空穴 從而生出了源源不斷的直流電 而這就是太陽能電池完整的工作原理 通常每塊太陽能板只有0.5伏的電壓 但電池越大 其產生的電流也就越大 在日常使用的太陽能模塊中 底部有一塊堅固的背板 在上面塗一層eva薄膜 然後將太陽能電池依次粘在上面 並相互連接 再覆蓋一層eva薄膜 最後是一層玻璃加金屬邊框 背面可以安裝外接電氣系統 這樣一塊防水防塵的太陽能組就製作完成 在電池內部 負極的匯流條之間相互連接 可以增加太陽能電池的電壓值 通常一個由36塊光伏板組成的小型太陽能模塊 可以提供18到19.8伏的電壓 非常適合給12伏的電池充電 當然如果你想要更大的電壓 只需增加光伏板的數量即可 在實際的應用過程中 太陽能板可以在白天給我們提供電力 而且光線越強動力越猛 但到了晚上它就完全歇菜了 因此我們就需要用電池來儲存電能 這樣我們白天充電 晚上就能肆無忌憚的用電了 但是這裏有一個問題 由於白天太陽的強弱不同 很可能會對電池過度充電 從而損壞電池 而在夜間 電池也會被太陽能板放電而造成浪費 那怎麼辦呢 誒 很簡單 只需要一個充電控制器就完美解決 我們將太陽能板與電池分別接入控制器 當白天有陽光時 控制器可以給負載供電 多餘的能量則輸送給電池儲存起來 並保護電池不被過充 而到了晚上 控制器會切斷電池與太陽能板的連接 可以讓它直接接通負載工作 這樣就完美實現了兩者的電氣隔離 那如果我們的負載需要交流電怎麼辦 太陽能可以直接給它們供電嗎 答案當然是沒問題 只需要一個電池逆變器就真鬆解決 它通過快速的開關頻率 就能將直流電變成你想要的交流電 在一個完整的家用太陽能系統中 我們可以通過太陽能板 控制器 蓄電池 逆變器 來輸出你想要的各種電流形態 如今很多農村的房屋上 都安裝有太陽能電池板 它通常會連接逆變器 並與房屋內的鍛爐器面板連接 這樣在白天就能給各個房間供電 到了晚上因爲沒有了太陽能 我們就使用電網輸送的電力 來維持家中的供電 兩不耽誤 在這個基礎上 我們還可以添加大容量的電池組 和充電控制器 這樣除去我們日常使用的電力外 還能將多餘的電邁回電網 怎麼樣 又學會一個賺錢小祕訣是吧 在現代的電網體系中 太陽能發電早已司空見慣 簡單來說 它就是通過並聯衆多的太陽能發電組 通過大型逆變器將電力輸送給變電站 從而將電壓升高後輸送給電網供電 太陽能發電作爲一種經濟 而且沒有污染的發電模式 源自1839年 法國物理學家亞歷山大貝克勒爾 就首次觀察到光照射金屬片 產生電壓的現象 後來這個現象被稱作光伏效應 隨後在1883年 利用錫半導體覆蓋金屬層 製成了首塊太陽能電池 雖然利用效率僅有1% 但卻首次實現了光能向電能的直接轉換 直到1939年 貝爾實驗室開始使用硅作爲半導體介質 繼續研究光伏效應 令於1954年宣佈第一款硅太陽能電池的誕生 從此太陽能發電項目開始嗷嗷起飛 如今 我國已稱爲光伏製造業全球第一 總產能佔全世界的80%以上 太陽能發電累計裝機容量8.91千瓦 其中單晶硅電池量產效率超23% 新型鈣鈦礦電池實驗室效率達26% 農業光伏項目滲透率超40% 在甘肅金塔的大戈壁上 就有這樣一片藍色的光伏海洋 它就是全球最大的光熱加光伏發電基地 金塔中光太陽能發電項目 設計投資42億元 總裝機容量70萬千瓦 每年可節省煤炭40萬噸 該項目重塑了河西阻撓能源地理格局 標誌着中國在新能源系統 從單一發電到多能互補的跨越式發展 怎麼樣 這盛世中國你愛了嗎 下課