مبدأ تشغيل البطارية الشمسية: كيف يتم ترتيب وتشغيل الألواح الشمسية

إن التحويل الفعال لأشعة الشمس الحرة إلى طاقة يمكن استخدامها لتشغيل المساكن والمرافق الأخرى هو حلم عزيز لكثير من المدافعين عن الطاقة الخضراء.

لكن مبدأ تشغيل البطارية الشمسية ، وكفاءتها بحيث لا حاجة للحديث عن الكفاءة العالية لهذه الأنظمة. سيكون من الجيد أن يكون لديك مصدر إضافي للكهرباء. صحيح؟ علاوة على ذلك ، حتى اليوم في روسيا ، بمساعدة الألواح الشمسية ، يتم تزويد عدد كبير من الأسر الخاصة بنجاح بالكهرباء "المجانية". ما زلت لا تعرف من أين تبدأ؟

فيما يلي سنخبرك عن الجهاز ومبادئ تشغيل الألواح الشمسية ، وستكتشف ما تعتمد عليه كفاءة النظام الشمسي. وستساعد مقاطع الفيديو المنشورة في المقالة على تجميع لوحة شمسية من الخلايا الضوئية.

الألواح الشمسية: المصطلحات

في موضوع "الطاقة الشمسية" هناك الكثير من الفروق والخلط. غالبًا ما يكون من الصعب على المبتدئين فهم جميع المصطلحات غير المألوفة في البداية. ولكن بدون ذلك ، فإن الانخراط في الطاقة الشمسية ، والحصول على معدات لتوليد التيار "الشمسي" ، أمر غير معقول.

بدون علم ، لا يمكنك فقط اختيار اللوحة الخاطئة ، ولكن ببساطة حرقها عند الاتصال أو استخراج طاقة قليلة جدًا منها.

تحتاج أولاً إلى فهم الأصناف الموجودة من معدات الطاقة الشمسية. تعتبر الألواح الشمسية ومجمعات الطاقة الشمسية جهازين مختلفين جوهريًا. كلاهما يحول طاقة أشعة الشمس.

ومع ذلك ، في الحالة الأولى ، يتلقى المستهلك الطاقة الكهربائية في المخرج ، وفي الحالة الثانية الطاقة الحرارية في شكل مبرد ساخن ، أي تستخدم الألواح الشمسية ل تدفئة المنزل.

لا يمكن الحصول على أقصى عائد من الألواح الشمسية إلا من خلال معرفة كيفية عملها ، والمكونات والمكونات التي تتكون منها وكيف ترتبط جميعها بشكل صحيح

الفارق الدقيق الثاني هو مفهوم مصطلح "البطارية الشمسية" نفسها. عادةً ، تشير كلمة "بطارية" إلى نوع من أجهزة تخزين الطاقة. أو يتبخر مشعاع التدفئة العادي. ومع ذلك ، في حالة البطاريات الشمسية ، يختلف الوضع جذريًا. إنهم لا يجمعون أي شيء في أنفسهم.

تولد الألواح الشمسية تيارًا كهربائيًا ثابتًا. لتحويله إلى متغير (يستخدم في الحياة اليومية) ، يجب أن يكون العاكس موجودًا في الدائرة

تم تصميم الألواح الشمسية حصريًا لتوليد التيار الكهربائي. وهي بدورها تتراكم لتزويد المنزل بالكهرباء في الليل ، عندما تغرب الشمس فوق الأفق ، بالفعل في البطاريات الموجودة بالإضافة إلى مخطط إمداد الطاقة للكائن.

يتم تضمين البطارية هنا في سياق مجموعة معينة من نفس النوع من المكونات التي تم تجميعها في كل واحد. في الواقع ، هذه مجرد لوحة من عدة خلايا ضوئية متطابقة.

البنية الداخلية للخلية الشمسية

تدريجيا ، أصبحت الألواح الشمسية أرخص وأكثر كفاءة. الآن يتم استخدامها لإعادة شحن البطاريات في مصابيح الشوارع والهواتف الذكية والسيارات الكهربائية والمنازل الخاصة والأقمار الصناعية في الفضاء. ومن بين هؤلاء ، بدأوا في بناء محطات طاقة شمسية كاملة الحجم (SES) بأحجام كبيرة من التوليد.

تتكون البطارية الشمسية من العديد من الخلايا الضوئية (المحولات الضوئية للخلايا الكهروضوئية) التي تحول طاقة الفوتونات من الشمس إلى كهرباء

يتم ترتيب كل بطارية شمسية ككتلة من عدد nth من الوحدات التي تتحد في سلسلة خلايا أشباه الموصلات. لفهم مبادئ تشغيل هذه البطارية ، من الضروري فهم تشغيل هذا الرابط النهائي في جهاز الألواح الشمسية الذي تم إنشاؤه على أساس أشباه الموصلات.

أنواع بلورات الخلايا الضوئية

هناك الكثير من الخيارات للخلايا الشمسية من عناصر كيميائية مختلفة. ومع ذلك ، فإن معظمها يتم تطويره في المراحل الأولية. حتى الآن ، يتم إنتاج الألواح المصنوعة من الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون فقط على نطاق صناعي.

تستخدم أشباه الموصلات السليكونية في تصنيع الخلايا الشمسية بسبب تكلفتها المنخفضة ، ولا يمكنها التباهي بكفاءة عالية بشكل خاص

الخلية الشمسية الشائعة في الألواح الشمسية عبارة عن صفيحة رقيقة من طبقتين من السيليكون ، لكل منهما خصائصه الفيزيائية الخاصة. هذا هو تقاطع pn شبه موصل كلاسيكي مع أزواج ثقب الإلكترون.

عندما تدخل الفوتونات PEC بين هذه الطبقات من أشباه الموصلات بسبب عدم تجانس البلورة ، تتشكل بوابة صور emf ، مما يؤدي إلى فرق محتمل وتيار إلكترون.

تختلف رقائق السيليكون للخلايا الشمسية في تكنولوجيا التصنيع من أجل:

1. أحادي البلورية.
2. الكريستالات.

تتمتع الأولى بكفاءة أعلى ، لكن تكلفة إنتاجها أعلى من تكلفة الأخيرة. خارجيا ، يمكن تمييز خيار واحد من الآخر على الألواح الشمسية بالشكل.

PECs البلورية المفردة لها هيكل موحد ؛ وهي مصنوعة على شكل مربعات ذات زوايا مقطوعة. في المقابل ، العناصر المتعددة البلورات لها شكل مربع بدقة.

يتم الحصول على البلورات عن طريق تبريد السيليكون المصهور تدريجيًا. هذه الطريقة بسيطة للغاية ، وبالتالي فإن هذه الخلايا الضوئية رخيصة أيضًا.

لكن الإنتاجية من حيث توليد الكهرباء من ضوء الشمس نادرا ما تتجاوز 15٪. ويرجع ذلك إلى "شوائب" رقائق السليكون التي تم الحصول عليها وهيكلها الداخلي. هنا ، كلما كانت طبقة p من السيليكون أنظف ، زادت كفاءة PEC منه.

نقاء البلورات المفردة في هذا الصدد أعلى بكثير من نظائرها متعددة البلورات. وهي ليست مصنوعة من المنصهر ، ولكن من بلورة سيليكون كاملة مصطنعة. يبلغ معامل التحويل الكهروضوئي لمثل هذه الخلايا الشمسية بالفعل 20-22 ٪.

في الوحدة النمطية الشائعة ، يتم تجميع الخلايا الكهروضوئية الفردية على إطار من الألومنيوم ، ولحمايتها من الأعلى ، يتم إغلاقها بزجاج متين ، والذي لا يتداخل مع ضوء الشمس على الإطلاق

تتكون الطبقة العليا من لوحة الخلايا الشمسية التي تواجه الشمس من نفس السيليكون ، ولكن مع إضافة الفوسفور. هذا هو الأخير الذي سيكون مصدر الإلكترونات الزائدة في نظام تقاطع pn.

كان الاختراق الحقيقي في استخدام الطاقة الشمسية هو تطوير الألواح المرنة مع السيليكون الكهروضوئي غير المتبلور:

مبدأ الألواح الشمسية

عندما يسقط ضوء الشمس على خلية ضوئية ، لا يتم إنشاء أزواج ثقب إلكتروني كاملة. تنتقل الإلكترونات الزائدة و "الثقوب" جزئيًا من خلال تقاطع pn من طبقة شبه موصلة إلى أخرى.

ونتيجة لذلك ، يظهر الجهد في الدائرة الخارجية. في هذه الحالة ، يتم تشكيل قطب موجب من المصدر الحالي عند ملامسة الطبقة p ، وعمود سالب عند الطبقة n.

يظهر الفرق المحتمل (الجهد) بين جهات اتصال الخلية الكهروضوئية بسبب تغير في عدد "الثقوب" والإلكترونات من جوانب مختلفة من تقاطع pn نتيجة لإشعاع الطبقة n بالأشعة الشمسية

تشكل الخلايا الكهروضوئية المتصلة بحمل خارجي على شكل بطارية دائرة مفرغة معها. ونتيجة لذلك ، تعمل الألواح الشمسية كنوع من العجلة التي "تسير" عبرها الإلكترونات مع البروتينات. والبطارية القابلة لإعادة الشحن تكتسب تدريجياً.

الخلايا الكهروضوئية السليكونية القياسية هي خلايا تقاطع أحادية. يحدث نقل الإلكترونات إليها فقط من خلال تقاطع p-n مع منطقة من هذا الانتقال محدودة في طاقة الفوتون.

أي أن كل خلية ضوئية قادرة على توليد الكهرباء فقط من طيف ضيق من الإشعاع الشمسي. يتم إهدار كل الطاقة الأخرى. لذلك ، فإن كفاءة الخلايا الشمسية منخفضة للغاية.

لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية ، تم مؤخراً تصنيع عناصر أشباه الموصلات السيليكونية متعددة الوصلات (شلال). هناك بالفعل العديد من التحولات في FEP الجديد. علاوة على ذلك ، تم تصميم كل واحد منهم في هذا الشلال من أجل طيفه الخاص من ضوء الشمس.

تزداد في النهاية الكفاءة الكلية لتحويل الفوتونات إلى تيار كهربائي في هذه الخلايا الضوئية. لكن سعرها أعلى بكثير. هنا ، إما سهولة التصنيع بتكلفة منخفضة وكفاءة منخفضة ، أو عوائد أعلى مقترنة بتكلفة عالية.

يمكن للبطارية الشمسية أن تعمل في كل من الصيف والشتاء (تحتاج إلى الضوء ، لا الحرارة) - كلما قل التوهج وشعاع الشمس أكثر إشراقًا ، كلما ولدت الألواح الشمسية تيارًا كهربائيًا

أثناء التشغيل ، يتم تسخين الخلية الكهروضوئية والبطارية بأكملها تدريجيًا. يتم تحويل كل الطاقة التي لم تذهب لتوليد التيار الكهربائي إلى حرارة. غالبًا ما ترتفع درجة الحرارة على سطح الهليوبانيل إلى 50-55 درجة مئوية. ولكن كلما كانت أعلى ، كانت كفاءة عمل الخلايا الكهروضوئية أقل.

ونتيجة لذلك ، يولد نفس النموذج للبطارية الشمسية تيارًا أقل في الحرارة مما هو عليه في الطقس البارد. تظهر الخلايا الضوئية أقصى قدر من الكفاءة في يوم شتوي صافٍ. هناك عاملان يؤثران على ذلك - الكثير من أشعة الشمس والتبريد الطبيعي.

علاوة على ذلك ، إذا تساقطت الثلوج على اللوحة ، فسوف تستمر في توليد الكهرباء على أي حال. علاوة على ذلك ، ليس للرقائق الثلجية الوقت الكافي للاستلقاء عليها ، تذوب من حرارة الخلايا الضوئية الساخنة.

كفاءة البطارية الشمسية

تعطي خلية ضوئية واحدة حتى الظهيرة في الطقس الصافي قدرًا كبيرًا من الكهرباء ، يكفي فقط لعمل مصباح LED.

لزيادة الطاقة الناتجة ، يتم دمج العديد من الخلايا الشمسية في دائرة موازية لزيادة جهد التيار المستمر وفي سلسلة لزيادة القوة الحالية.

تعتمد فعالية الألواح الشمسية على:

• درجة حرارة الهواء والبطارية نفسها ؛
• الاختيار الصحيح لمقاومة الحمل ؛
• زاوية حدوث ضوء الشمس ؛
• وجود / عدم وجود طلاء مضاد للانعكاس ؛
• قوة تيار الضوء.

كلما انخفضت درجة الحرارة في الخارج ، زادت كفاءة الخلايا الكهروضوئية والبطارية الشمسية ككل. كل شيء بسيط هنا. ولكن مع حساب الحمل ، يكون الوضع أكثر تعقيدًا. يجب تحديده بناءً على التيار الذي تم إنشاؤه بواسطة اللوحة. لكن قيمته تختلف باختلاف عوامل الطقس.

يتم تصنيع الألواح الشمسية بجهد إخراج مضاعف 12 فولت - إذا كان يجب توفير 24 فولت للبطارية ، فيجب توصيل لوحين بالتوازي معها

من الصعب مراقبة معلمات البطارية الشمسية باستمرار وضبط تشغيلها يدويًا. من الأفضل استخدامه تحكم تحكم، الذي يضبط تلقائيًا إعدادات اللوحة الشمسية نفسها لتحقيق أقصى أداء وأوضاع تشغيل مثالية منها.

الزاوية المثالية لحدوث أشعة الشمس على الخلية الشمسية مستقيمة. ومع ذلك ، عندما يكون الانحراف في غضون 30 درجة عن العمودي ، فإن كفاءة اللوحة تنخفض حوالي 5 ٪ فقط. ولكن مع زيادة أخرى في هذه الزاوية ، ستنعكس نسبة متزايدة من الإشعاع الشمسي ، مما يقلل من كفاءة الخلايا الشمسية.

إذا كانت البطارية مطلوبة لإعطاء أقصى طاقة في الصيف ، فيجب أن تكون موجهة بشكل عمودي على متوسط ​​موضع الشمس ، الذي تحتله في أيام الاعتدال في الربيع والخريف.

أما بالنسبة لمنطقة موسكو ، فهي تتراوح بين 40-45 درجة في الأفق. إذا كان الحد الأقصى مطلوبًا في فصل الشتاء ، فيجب وضع اللوحة في وضع أكثر عمودية.

وهناك شيء آخر - الغبار والأوساخ يقلل بشكل كبير من أداء الخلايا الشمسية. إن الفوتونات عبر هذا الحاجز "القذر" لا تصل إليها ببساطة ، مما يعني أنه لا يوجد شيء يمكن تحويله إلى كهرباء. يجب غسل الألواح بانتظام أو وضعها بحيث يغسل المطر بمفرده الغبار.

تحتوي بعض الخلايا الشمسية على عدسات مدمجة لتركيز الإشعاع على الخلايا الشمسية. في الطقس الصافي ، يؤدي هذا إلى زيادة الكفاءة. ومع ذلك ، مع غطاء سحابي كثيف ، فإن هذه العدسات تضر فقط.

إذا استمرت لوحة تقليدية في مثل هذه الحالة في توليد التيار ، وإن كان بأحجام أصغر ، فإن نموذج العدسة سيتوقف عن العمل بشكل كامل تقريبًا.

من الناحية المثالية ، يجب إضاءة الشمس من بطارية الخلايا الشمسية بالتساوي. إذا تبين أن أحد أقسامه أصبح أكثر قتامة ، فإن PEC غير المضاء يتحول إلى حمولة طفيلية. إنهم ليسوا فقط في هذه الحالة لا يولدون الطاقة ، ولكنهم يأخذونها أيضًا من عناصر العمل.

يجب تثبيت الألواح بحيث لا تكون هناك أشجار أو مباني أو عوائق أخرى في مسار أشعة الشمس.

مخطط قوة المنزل من الشمس

يشمل نظام الطاقة الشمسية:

1. الألواح الشمسية.
2. تحكم
3. البطاريات.
4. العاكس (المحول).

تحكم في هذه الدائرة يحمي كل من الألواح الشمسية والبطاريات. من ناحية ، يمنع التيارات العكسية من التدفق في الليل وفي الطقس الغائم ، ومن ناحية أخرى ، يحمي البطاريات من الشحن / التفريغ المفرط.

يجب اختيار بطاريات الألواح الشمسية بنفس العمر والسعة ، وإلا سيحدث الشحن / التفريغ بشكل غير متساوٍ ، مما سيؤدي إلى انخفاض حاد في عمر الخدمة

لتحويل تيار تيار مستمر من 12 أو 24 أو 48 فولت إلى 220 فولت متناوب مطلوبة العاكس. لا يُنصح باستخدام بطاريات السيارات في مثل هذه الدائرة بسبب عدم قدرتها على تحمل عمليات إعادة الشحن المتكررة. من الأفضل إنفاق المال وشراء بطاريات الهيليوم AGM الخاصة أو بطاريات OPzS الهلامية الخاصة.

استنتاجات وفيديو مفيد حول الموضوع

مبادئ التشغيل و الألواح الشمسية ليست معقدة للغاية لفهمها. ومع مواد الفيديو التي تم جمعها من قبلنا أدناه ، سيكون من الأسهل فهم جميع تعقيدات عمل الألواح الشمسية وتركيبها.

يمكن الوصول إليها وفهمها كيف تعمل البطارية الشمسية الكهروضوئية ، في جميع التفاصيل:

كيف يتم ترتيب الألواح الشمسية ، انظر الفيديو التالي:

تجميع DIY للوحة شمسية من الخلايا الضوئية:

كل عنصر في نظام الطاقة الشمسية يجب اختيار الكوخ بكفاءة. تحدث خسائر الطاقة الحتمية على البطاريات والمحولات ووحدة التحكم. ويجب تخفيضها إلى الحد الأدنى ، وإلا سيتم تخفيض الكفاءة المنخفضة بما يكفي للألواح الشمسية إلى الصفر بشكل عام.

خلال دراسة المواد كانت هناك أسئلة؟ أو هل تعرف معلومات قيمة حول موضوع المقال ويمكنك إخبار قرائنا بها؟ يرجى ترك تعليقاتك في المربع أدناه.