4.5 Projekt: Solaranlage
4.5.1 Beschreibung
Das Solarpanel wandelt Sonnenenergie in Elektrizität für die LED um. Es eignet sich für vielfältige Anwendungen, wie z.B. Außenbeleuchtung, Aufladen mobiler Geräte und Notstromversorgung. Daher können Sie eine ausgeklügelte und effiziente Solaranlage nach Ihren eigenen Bedürfnissen aufbauen.
4.5.2 Funktionsweise
Wie wandelt ein Solarpanel Sonnenenergie in Elektrizität um?
Das Solarpanel absorbiert Licht und wandelt die Sonnenstrahlung direkt oder indirekt in Elektrizität um. Im Vergleich zur gewöhnlichen Kohleverstromung sind Solar-, Wind- und Wasserkraft energieeffizienter und umweltfreundlicher.
Wie wird Licht in Elektrizität umgewandelt?
Als Nächstes sprechen wir über den Umwandlungsprozess von innen nach außen in einem Solarpanel.
Die Sonne sendet Energie in Wellen mit einem breiten Wellenlängenbereich aus, von ultraviolettem über sichtbares bis hin zu infrarotem Licht.
Wellenlänge von Ultraviolett: 150~400nm;
Wellenlänge des sichtbaren Lichts: 400~760nm;
Wellenlänge des Infrarotlichts: 760~4000nm;
Das Panel absorbiert einen dieser Wellenlängenbereiche und wandelt sie in Elektrizität um. Aber wie? Lassen Sie uns fortfahren.
Der aktive Teil der meisten Solarzellen besteht aus einem Halbleiter — Silizium (Si).
Die Leitfähigkeit eines Halbleiters liegt bei atmosphärischer Temperatur zwischen der eines Leiters und der eines Isolators. Im Allgemeinen leitet er nicht gut, doch seine Leitfähigkeit verbessert sich unter bestimmten Bedingungen.
Das obige Diagramm zeigt die innere Struktur des Halbleiters in einer Solarzelle, die in drei Schichten unterteilt ist:
Die obere Schicht (roter Teil) besteht aus Silizium (Si) und etwas Phosphor (P). Letzteres trägt mehr Elektronen als Ersteres und liefert ausreichend Elektronen für die obere Schicht. Aufgrund dieser frei beweglichen Elektronen ist diese Schicht leitfähig und wird daher als negativ oder N-Typ bezeichnet.
Die mittlere Schicht (grauer Teil) enthält zu wenige Elektronen, um zu leiten.
Die untere Schicht (grüner Teil) enthält hauptsächlich Silizium (Si) und Bor (B). Letzteres trägt weniger Elektronen als Ersteres, so dass sich nur wenige Elektronen frei bewegen, was zu einem Mangel an Elektronen führt, die als effektive positive Ladung beschrieben werden. Daher wird diese Schicht als positiv oder P-Typ bezeichnet.
Normalerweise absorbiert nur die mittlere Schicht des Solarpanels Lichtwellen mit einer Wellenlänge von 350~1140nm. Gemäß der Spektralverteilung in den vorherigen Abschnitten handelt es sich um Absorptionen von langwelligem Ultraviolett, kurzwelligem Infrarot und sichtbarem Licht.
Die Wellenlänge von Ultraviolett ist so kurz, dass sie an der Oberfläche stoppt.
Die Wellenlänge von Infrarotlicht ist zu lang, um vom Panel absorbiert zu werden, daher passieren sie es normalerweise oder werden reflektiert.
Die mittlere Schicht absorbiert Licht und schlägt Elektronen aus dem Silizium in der oberen Schicht heraus, wodurch sie in einem freien Zustand verbleiben, und an der Stelle, an der sie zuvor waren, entstehen leere Elektronenlöcher.
Die Löcher tragen eine positive Ladung. Währenddessen bewegen sich freie Elektronen nach oben, um die N-Typ-Schicht zu erreichen, während sich Löcher nach unten bewegen, um die P-Typ-Schicht zu erreichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Elektronen in der oberen und unteren Schicht nach der Absorption von Sonnenenergie durch die mittlere Schicht herausgeschlagen werden. Daher trägt die N-Typ-Schicht als negativer Pol eine negative Ladung, während die P-Typ-Schicht als positiver Pol positiv geladen ist. In diesem Fall leitet sie, solange die beiden Schichten verbunden sind.
Wenn Sonnenlicht auf das Solarpanel scheint, hält die oben beschriebene Situation an, und es werden eine große Anzahl freier Elektronen und Löcher erzeugt. Wie unsere Schlussfolgerung besagt, bewegen sich Elektronen nach oben, während sich Löcher nach unten bewegen, wodurch die beiden Pole gebildet und Strom erzeugt wird.
Solarenergie ist eine alternative Energiequelle, die sich durch Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz auszeichnet.
Allerdings kann der von einem Solarpanel erzeugte Strom in mehrere Watt Leistung umgewandelt werden, was für einen Taschenrechner oder ein Handy-Ladegerät ausreicht, aber bei weitem nicht genug ist, um einen Ein-Kilowatt-Toaster zu betreiben.
Solaranlagen erfüllen die Bedürfnisse verschiedener Nutzer und sind auch gut für die Umwelt. In Kombination mit der KidsBlock-Programmierung ermöglicht dieses System eine Vielzahl nützlicher und effizienter Solaranwendungen, wie z.B. automatische Beleuchtung, Ladegeräte und Smart Homes.
Im Allgemeinen verspricht Solarenergie eine wunderbare und nachhaltige Zukunft.
4.5.3 Parameter
Spannung: 5V
Strom: 80mA
Leistung: 400mW
Abmessungen: 60*60mm
4.5.4 Testergebnis
In diesem Projekt sind keine Codes erforderlich. Wichtig ist, dass wir etwas über die neue Umweltenergie — Solarenergie — lernen.
Bei guter Beleuchtung leuchtet die LED gelb. Je heller das Licht ist, desto heller leuchtet die LED.
4.5.5 FAQ
F: Warum funktioniert das Solarpanel auch ohne Sonnenlicht?
A: Es funktioniert nicht nur mit Sonnenlicht, sondern auch mit Umgebungslicht. Je heller das Licht ist, desto größer ist die Spannung und desto heller leuchtet die LED.