Принципът на работа на слънчевата батерия: как е подреден и работи слънчевият панел

Ефективното превръщане на свободните лъчи на слънцето в енергия, която може да се използва за захранване на жилища и други съоръжения, е съкровена мечта на много апологети за зелена енергия.

Но принципът на работа на слънчевата батерия и нейната ефективност са такива, че не е необходимо да се говори за високата ефективност на такива системи. Би било хубаво да имате собствен собствен източник на електроенергия. Не е ли? Освен това, дори днес в Русия, с помощта на слънчеви панели, значителен брой частни домакинства успешно се снабдяват с „безплатно“ електричество. Все още не знаете откъде да започнете?

По-долу ще ви разкажем за устройството и принципите на работа на слънчевия панел, ще разберете от какво зависи ефективността на слънчевата система. А видеоклиповете, публикувани в статията, ще помогнат за лично сглобяване на слънчев панел от фотоклетки.

Слънчеви панели: терминология

В темата „слънчева енергия“ има много нюанси и объркване. Често за начинаещи е трудно да разберат всички непознати понятия. Но без това, включването на слънчева енергия, придобиването на оборудване за генериране на „слънчев“ ток, е неразумно.

Несъзнателно можете не само да изберете грешен панел, но и просто да го изгорите, когато сте свързани или да извличате твърде малко енергия от него.

Първо трябва да разберете съществуващите разновидности на оборудването за слънчева енергия. Слънчевите панели и слънчевите колектори са две коренно различни устройства. И двамата преобразуват енергията на слънчевите лъчи.

В първия случай обаче потребителят получава електрическа енергия на изхода, а във втория - топлинната енергия под формата на нагрята охлаждаща течност, т.е. слънчевите панели се използват за отопление на дома.

Максималната възвръщаемост от слънчевия панел може да се постигне само като се знае как работи, от какви компоненти и компоненти се състои и как правилно се свързва

Вторият нюанс е концепцията за самия термин „слънчева батерия“. Обикновено думата "батерия" се отнася до някакъв вид устройство за съхранение на енергия. Или банален отоплителен радиатор идва на ум. При слънчевите батерии обаче ситуацията е коренно различна. Те не натрупват нищо в себе си.

Соларният панел генерира постоянен електрически ток. За да го преобразувате в променлива (използва се в ежедневието), във веригата трябва да присъства инвертор

Слънчевите панели са проектирани изключително за генериране на електрически ток. Той от своя страна се натрупва да снабдява къщата с електричество през нощта, когато слънцето залезе над хоризонта, вече в присъстващите батерии в допълнение към схемата за захранване на обекта.

Батерията тук се подразбира в контекста на определена комбинация от един и същ тип компоненти, събрани в едно цяло. Всъщност това е просто панел от няколко еднакви фотоклетки.

Вътрешната структура на слънчевата клетка

Постепенно слънчевите панели стават все по-евтини и по-ефективни. Сега те се използват за презареждане на батерии в улични светлини, смартфони, електрически автомобили, частни домове и сателити в космоса. От тях те дори започнаха да изграждат пълноценни слънчеви централи (SES) с големи обеми на производство.

Слънчевата батерия се състои от много фотоклетки (фотоволтаични преобразуватели на фотоволтаични клетки), които преобразуват енергията на фотоните от слънцето в електричество

Всяка слънчева батерия е подредена като блок от пети брой модули, които се комбинират в серийни полупроводникови фотоклетки. За да се разберат принципите на работа на такава батерия, е необходимо да се разбере работата на тази крайна връзка в устройството на слънчевия панел, създадено на базата на полупроводници.

Видове кристали от фотоклетки

Има много опции за слънчеви клетки от различни химически елементи. Въпреки това, повечето от тях са развитие в началните етапи. Засега в индустриален мащаб се произвеждат само панели, изработени от слънчеви клетки на силициева основа.

Силиконовите полупроводници се използват при производството на слънчеви клетки поради ниската си цена, те не могат да се похвалят с особено висока ефективност

Обща слънчева клетка в соларен панел е тънка плоча от два силициеви слоя, всеки от които има свои собствени физически свойства. Това е класически полупроводников pn преход с двойки електрон-дупка.

Когато фотоните влязат в PEC между тези слоеве на полупроводника поради нехомогенността на кристала, се образува затворен фото-емф, което води до потенциална разлика и електронен ток.

Силиконовите пластини на слънчевите клетки се различават по технологията на производство на:

1. Monocrystalline.
2. Поликристални.

Първите имат по-висока ефективност, но цената на тяхното производство е по-висока от тази на втората. Външно една опция от друга на слънчевия панел може да се различи по форма.

Еднокристалните PEC имат еднаква структура, те са направени под формата на квадратчета с изрязани ъгли. За разлика от тях поликристалните елементи имат строго квадратна форма.

Поликристалите се получават чрез постепенно охлаждане на разтопен силиций. Този метод е изключително прост, следователно такива фотоклетки също са евтини.

Но производителността по отношение на генерирането на електричество от слънчевата светлина рядко надвишава 15%. Това се дължи на „примесите“ на получените силициеви пластини и тяхната вътрешна структура. Тук, колкото по-чист е p-слоят силиций, толкова по-висока е ефективността на PEC от него.

Чистотата на монокристалите в това отношение е много по-висока от тази на поликристалните аналози. Те са направени не от разтопен, а от изкуствено отгледан цял силициев кристал. Коефициентът на фотоволтаична конверсия за такива слънчеви клетки вече достига 20-22%.

В общ модул отделните фотоклетки са сглобени върху алуминиева рамка и за да ги предпазят отгоре, те са затворени с трайно стъкло, което изобщо не пречи на слънчевата светлина

Горният слой на слънчевата клетка, обърнат към слънцето, е направен от същия силиций, но с добавяне на фосфор. Именно последният ще бъде източник на излишни електрони в pn преходната система.

Истински пробив в използването на слънчевата енергия беше разработването на гъвкави панели с аморфен фотоволтаичен силиций:

Принципът на слънчевия панел

Когато слънчевата светлина падне върху фотоклетката, в нея се генерират неравновесни двойки електрон-дупки. Излишните електрони и "дупките" се прехвърлят частично през pn прехода от един полупроводников слой към друг.

В резултат на това се появява напрежение във външната верига. В този случай при контакта на p-слоя се образува положителен полюс на източника на ток, а отрицателен полюс в n-слой.

Потенциалната разлика (напрежението) между контактите на фотоклетката се появява поради промяна в броя на „дупките“ и електроните от различни страни на p-n пресечката в резултат на облъчване на n-слоя от слънчеви лъчи

Фотоклетките, свързани с външен товар под формата на батерия, образуват порочен кръг с него. В резултат на това слънчевият панел работи като вид колело, по което електрони „вървят“ заедно с протеини. А акумулаторната батерия постепенно набира сила.

Стандартните силиконови фотоволтаични клетки са клетки с единично съединение. Прехвърлянето на електрони в тях се осъществява само през един p-n преход със зона на този преход, ограничена във фотонната енергия.

Тоест всяка такава фотоклетка е в състояние да генерира електричество само от тесен спектър от слънчева радиация. Цялата останала енергия се губи. Следователно, ефективността на слънчевите клетки е толкова ниска.

За да се увеличи ефективността на слънчевите клетки, наскоро за тях са направени силиконови полупроводникови елементи (каскада). В новия FEP вече има няколко прехода. Освен това всеки от тях в тази каскада е проектиран за свой собствен спектър от слънчева светлина.

Общата ефективност на превръщането на фотоните в електрически ток в такива фотоклетки в крайна сметка се увеличава. Но цената им е много по-висока. Тук или лекота на производство с ниска цена и ниска ефективност, или по-висока възвръщаемост, съчетана с висока цена.

Соларната батерия може да работи както през лятото, така и през зимата (има нужда от светлина, а не от топлина) - колкото по-малко облачност и слънце грее по-ярко, толкова повече слънчевият панел ще генерира електрически ток

По време на работа фотоклетката и цялата батерия постепенно се загряват. Цялата енергия, която не отиде при генерирането на електрически ток, се трансформира в топлина. Често температурата на повърхността на хелиопанела се повишава до 50–55 ° С. Но колкото по-високо е, толкова по-малко ефективно работи фотоволтаичната клетка.

В резултат на това същият модел на слънчева батерия генерира по-малко ток в топлината, отколкото в студено време. Фотоклетките показват максимална ефективност в ясен зимен ден. Два фактора влияят на това - много слънце и естествено охлаждане.

Освен това, ако пада сняг върху панела, той така или иначе ще продължи да генерира електричество. Освен това снежинките дори нямат време да легнат върху него, разтопени от топлината на нагретите фотоклетки.

Ефективност на слънчевата батерия

Една фотоклетка дори на обяд при ясно време отделя доста малко електричество, достатъчно само за работа на LED фенерчето.

За да увеличите изходната мощност, няколко слънчеви клетки се комбинират в паралелна верига за увеличаване на постояннотоковото напрежение и последователно за увеличаване на силата на тока.

Ефективността на слънчевите панели зависи от:

• температура на въздуха и самата батерия;
• правилният избор на устойчивост на натоварване;
• ъгъл на падане на слънчевата светлина;
• наличие / отсъствие на антиотражателно покритие;
• мощност на светлинен поток.

Колкото по-ниска е температурата навън, толкова по-ефективни са фотоклетките и слънчевата батерия като цяло. Тук всичко е просто. Но с изчисляването на натоварването ситуацията е по-сложна. Той трябва да бъде избран въз основа на тока, генериран от панела. Но стойността му варира в зависимост от метеорологичните фактори.

Слънчевите панели се предлагат с изходно напрежение, кратно на 12 V - ако за батерията са необходими 24 V, тогава два панела ще трябва да бъдат свързани паралелно към нея

Проблемно е постоянно да следите параметрите на слънчевата батерия и ръчно да регулирате нейната работа. По-добре е да използвате контролен контролер, която автоматично настройва настройките на самия соларен панел, за да постигне максимална производителност и оптимални режими на работа от него.

Идеалният ъгъл на падене на слънчевите лъчи върху слънчевата клетка е прав. Когато обаче отклонението е в рамките на 30 градуса от перпендикуляра, ефективността на панела пада само около 5%. Но с по-нататъшно увеличаване на този ъгъл ще се отрази все по-голяма част от слънчевата радиация, като по този начин ще се намали ефективността на слънчевите клетки.

Ако през лятото батерията е необходима, за да даде максимум енергия, тогава тя трябва да бъде ориентирана перпендикулярно на средното положение на Слънцето, което заема в дните на равноденствието през пролетта и есента.

За района на Москва той е приблизително 40–45 градуса до хоризонта. Ако през зимата е необходим максимумът, тогава панелът трябва да бъде поставен в по-вертикално положение.

И още нещо - прахът и мръсотията значително намаляват работата на слънчевите клетки. Фотоните през такава "мръсна" бариера просто не ги достигат, което означава, че няма какво да се преобразува в електричество. Панелите трябва да се мият редовно или да се поставят така, че прахът да се отмие от дъжда самостоятелно.

Някои соларни клетки имат вградени лещи за концентриране на радиацията върху слънчевите клетки. При ясно време това води до повишена ефективност. Въпреки това, при тежко облачно покритие, тези лещи правят само вреда.

Ако конвенционален панел в такава ситуация продължи да генерира ток, макар и в по-малки обеми, моделът на лещите ще спре да работи почти напълно.

В идеалния случай слънцето от батерия за слънчеви клетки трябва да бъде осветено равномерно. Ако една от секциите му се окаже потъмняла, тогава неосветеният PEC се превръща в паразитен товар. Те не само в тази ситуация не генерират енергия, но и я вземат от работните елементи.

Панелите трябва да бъдат монтирани така, че да няма дървета, сгради или други препятствия по пътя на слънчевите лъчи.

Схема на захранване на къщата от слънцето

Слънчевата система за захранване включва:

1. Слънчеви панели.
2. Controller.
3. Батерии.
4. Инвертор (трансформатор).

Контролерът в тази схема защитава както соларни панели, така и батерии. От една страна, той предотвратява протичането на обратните токове през нощта и при облачно време, а от друга, предпазва батериите от прекомерно зареждане / разреждане.

Батериите за соларни панели трябва да бъдат избрани еднакви по възраст и капацитет, в противен случай зареждането / разреждането ще се случи неравномерно, което ще доведе до рязко намаляване на техния експлоатационен живот

За да трансформирате постоянен ток от 12, 24 или 48 волта в променливи 220-волтови инвертор, Автомобилните акумулатори не се препоръчват за използване в такава верига поради неспособността им да издържат на чести презареждания. Най-добре е да харчите пари и да закупите специални хелиеви AGM или желирани OPzS батерии.

Изводи и полезно видео по темата

Принципи на работа и слънчеви панели не е твърде сложно да се разбере. А с видео материалите, събрани от нас по-долу, ще бъде още по-лесно да разберем всички тънкости на функционирането и инсталирането на соларни панели.

Достъпно и разбираемо е как работи фотоволтаичната слънчева батерия с всички подробности:

Как са подредени слънчевите панели, вижте следното видео:

Направи си сам монтаж на слънчев панел от фотоклетки:

Всеки артикул в слънчева енергийна система вилата трябва да бъде избрана компетентно. Неизбежните загуби на мощност настъпват на батерии, трансформатори и контролера. И те трябва да бъдат сведени до минимум, в противен случай достатъчно ниската ефективност на слънчевите панели ще бъде намалена като цяло до нула.

По време на изучаването на материала имаше въпроси? Или знаете ценна информация по темата на статията и можете да я съобщите на нашите читатели? Моля, оставете вашите коментари в полето по-долу.