Η αρχή της λειτουργίας της ηλιακής μπαταρίας: πώς τακτοποιείται και λειτουργεί το ηλιακό πάνελ

Η αποτελεσματική μετατροπή των ελεύθερων ακτίνων του ήλιου σε ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία κατοικιών και άλλων εγκαταστάσεων είναι ένα αγαπημένο όνειρο πολλών απολογητών για την πράσινη ενέργεια.

Αλλά η αρχή της λειτουργίας της ηλιακής μπαταρίας και η απόδοσή της είναι τέτοια που η υψηλή απόδοση τέτοιων συστημάτων δεν έχει ακόμη συζητηθεί. Θα ήταν ωραίο να έχετε τη δική σας πρόσθετη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σωστά; Επιπλέον, ακόμη και σήμερα στη Ρωσία, με τη βοήθεια ηλιακών συλλεκτών, ένας σημαντικός αριθμός ιδιωτικών νοικοκυριών τροφοδοτείται με επιτυχία με «δωρεάν» ηλεκτρική ενέργεια. Εξακολουθείτε να μην ξέρετε από πού να ξεκινήσετε;

Παρακάτω θα σας πούμε για τη συσκευή και τις αρχές λειτουργίας του ηλιακού συλλέκτη, θα μάθετε από ποια είναι η απόδοση του ηλιακού συστήματος. Και τα βίντεο που δημοσιεύονται στο άρθρο θα βοηθήσουν στην προσωπική συναρμολόγηση ενός ηλιακού πλαισίου από φωτοκύτταρα.

Ηλιακοί συλλέκτες: ορολογία

Στο θέμα της «ηλιακής ενέργειας» υπάρχουν πολλές αποχρώσεις και σύγχυση. Είναι συχνά δύσκολο για τους αρχάριους να κατανοήσουν όλους τους άγνωστους όρους στην αρχή. Αλλά χωρίς αυτό, η συμμετοχή στην ηλιακή ενέργεια, η απόκτηση εξοπλισμού για την παραγωγή «ηλιακού» ρεύματος, είναι παράλογο.

Χωρίς να το γνωρίζετε, μπορείτε όχι μόνο να επιλέξετε το λάθος πάνελ, αλλά απλά να το κάψετε όταν είστε συνδεδεμένοι ή να εξαγάγετε πολύ λίγη ενέργεια από αυτό.

Πρώτα πρέπει να καταλάβετε τις υπάρχουσες ποικιλίες εξοπλισμού για ηλιακή ενέργεια. Οι ηλιακοί συλλέκτες και οι ηλιακοί συλλέκτες είναι δύο βασικά διαφορετικές συσκευές. Και οι δύο μεταμορφώνουν την ενέργεια των ακτίνων του ήλιου.

Ωστόσο, στην πρώτη περίπτωση, ο καταναλωτής λαμβάνει ηλεκτρική ενέργεια στην έξοδο, και στη δεύτερη περίπτωση η θερμική ενέργεια με τη μορφή θερμαινόμενου ψυκτικού, δηλαδή. Οι ηλιακοί συλλέκτες χρησιμοποιούνται για θέρμανση σπιτιού.

Η μέγιστη απόδοση από το ηλιακό πάνελ μπορεί να επιτευχθεί μόνο γνωρίζοντας πώς λειτουργεί, ποια εξαρτήματα και εξαρτήματα αποτελείται και πώς όλα συνδέονται σωστά

Η δεύτερη απόχρωση είναι η έννοια του ίδιου του «ηλιακού συσσωρευτή». Συνήθως, η λέξη "μπαταρία" αναφέρεται σε κάποιο είδος συσκευής αποθήκευσης ενέργειας. Ή έρχεται στο μυαλό ένα καλοριφέρ θέρμανσης. Ωστόσο, στην περίπτωση των ηλιακών μπαταριών, η κατάσταση είναι ριζικά διαφορετική. Δεν συσσωρεύουν τίποτα στον εαυτό τους.

Το ηλιακό πλαίσιο παράγει ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα. Για να το μετατρέψετε σε μεταβλητή (χρησιμοποιείται στην καθημερινή ζωή), πρέπει να υπάρχει ένας μετατροπέας στο κύκλωμα

Τα ηλιακά πάνελ έχουν σχεδιαστεί αποκλειστικά για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Με τη σειρά του, συσσωρεύεται για να τροφοδοτήσει το σπίτι με ηλεκτρικό ρεύμα τη νύχτα, όταν ο ήλιος δύει πάνω από τον ορίζοντα, ήδη στις μπαταρίες που υπάρχουν εκτός από το σχέδιο τροφοδοσίας του αντικειμένου.

Η μπαταρία εδώ υπονοείται στο πλαίσιο ενός συγκεκριμένου συνδυασμού του ίδιου τύπου εξαρτημάτων που συναρμολογούνται σε ένα ενιαίο σύνολο. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι απλώς ένα πάνελ πολλών πανομοιότυπων φωτοκυττάρων.

Η εσωτερική δομή του ηλιακού στοιχείου

Σταδιακά, τα ηλιακά πάνελ γίνονται φθηνότερα και πιο αποδοτικά. Τώρα χρησιμοποιούνται για την επαναφόρτιση μπαταριών σε φωτεινούς σηματοδότες, smartphone, ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ιδιωτικές κατοικίες και σε δορυφόρους στο διάστημα. Άρχισαν ακόμη και να κατασκευάζουν πλήρεις ηλιακούς σταθμούς (SES) με μεγάλους όγκους παραγωγής.

Η ηλιακή μπαταρία αποτελείται από πολλά φωτοκύτταρα (φωτοβολταϊκοί μετατροπείς φωτοβολταϊκών κυττάρων) που μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων από τον ήλιο σε ηλεκτρική ενέργεια

Κάθε ηλιακή μπαταρία είναι διατεταγμένη ως ένα μπλοκ του ένατου αριθμού μονάδων που συνδυάζονται σε φωτοκύτταρα ημιαγωγών σειράς. Για να κατανοήσουμε τις αρχές λειτουργίας μιας τέτοιας μπαταρίας, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τη λειτουργία αυτού του τελικού συνδέσμου στη συσκευή ηλιακού συλλέκτη που δημιουργήθηκε βάσει ημιαγωγών.

Τύποι κρυστάλλων φωτοκυττάρων

Υπάρχουν πολλές επιλογές για ηλιακά κύτταρα από διαφορετικά χημικά στοιχεία. Ωστόσο, τα περισσότερα από αυτά είναι ανάπτυξη στα αρχικά στάδια. Μέχρι στιγμής, μόνο πάνελ από ηλιακά κύτταρα με βάση το πυρίτιο παράγονται επί του παρόντος σε βιομηχανική κλίμακα.

Οι ημιαγωγοί πυριτίου χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ηλιακών κυττάρων λόγω του χαμηλού κόστους τους, δεν μπορούν να καυχηθούν ιδιαίτερα υψηλής απόδοσης

Ένα κοινό ηλιακό στοιχείο σε ένα ηλιακό πλαίσιο είναι μια λεπτή πλάκα από δύο στρώματα πυριτίου, καθένα από τα οποία έχει τις δικές του φυσικές ιδιότητες. Πρόκειται για μια κλασική σύνδεση ημιαγωγών με ζεύγη ηλεκτρονικών οπών.

Όταν τα φωτόνια χτυπούν το PEC μεταξύ αυτών των στρωμάτων του ημιαγωγού λόγω της ανομοιογένειας του κρυστάλλου, σχηματίζεται μια πύλη photo-emf, με αποτέλεσμα μια πιθανή διαφορά και ένα ρεύμα ηλεκτρονίου.

Οι γκοφρέτες πυριτίου των ηλιακών κυττάρων διαφέρουν στην τεχνολογία κατασκευής για:

1. Μονοκρυσταλλικό.
2. Πολυκρυσταλλικό.

Οι πρώτοι έχουν υψηλότερη απόδοση, αλλά το κόστος παραγωγής τους είναι υψηλότερο από αυτό της τελευταίας. Εξωτερικά, μια επιλογή από την άλλη στο ηλιακό πλαίσιο μπορεί να διακριθεί από το σχήμα.

Τα μονοκρυστάλλινα PEC έχουν ομοιόμορφη δομή, κατασκευάζονται με τη μορφή τετραγώνων με κομμένες γωνίες Αντίθετα, τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία έχουν αυστηρά τετράγωνο σχήμα.

Οι πολυκρύσταλλοι λαμβάνονται με βαθμιαία ψύξη λειωμένου πυριτίου. Αυτή η μέθοδος είναι εξαιρετικά απλή, επομένως τέτοια φωτοκύτταρα είναι επίσης φθηνά.

Ωστόσο, η παραγωγικότητα όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το ηλιακό φως σπάνια υπερβαίνει το 15%. Αυτό οφείλεται στην «ακαθαρσία» των παραγόμενων πλακιδίων πυριτίου και της εσωτερικής τους δομής. Εδώ, όσο πιο καθαρό είναι το p-layer του πυριτίου, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση του PEC από αυτό.

Η καθαρότητα των απλών κρυστάλλων από αυτή την άποψη είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη των πολυκρυσταλλικών αναλόγων. Κατασκευάζονται όχι από λιωμένο, αλλά από τεχνητά αναπτυγμένο ολόκληρο κρύσταλλο πυριτίου. Ο συντελεστής μετατροπής φωτοβολταϊκών για τέτοια ηλιακά κύτταρα φτάνει ήδη το 20-22%.

Σε μια κοινή μονάδα, μεμονωμένα φωτοκύτταρα συναρμολογούνται σε πλαίσιο αλουμινίου και για την προστασία τους από πάνω, είναι κλειστά με ανθεκτικό γυαλί, το οποίο δεν παρεμβαίνει καθόλου στις ακτίνες του ήλιου

Το άνω στρώμα της πλάκας ηλιακής κυψέλης που βλέπει στον ήλιο είναι κατασκευασμένο από το ίδιο πυρίτιο, αλλά με την προσθήκη φωσφόρου. Είναι το τελευταίο που θα είναι η πηγή περίσσειας ηλεκτρονίων στο σύστημα σύνδεσης pn.

Μια πραγματική ανακάλυψη στη χρήση της ηλιακής ενέργειας ήταν η ανάπτυξη εύκαμπτων πάνελ με άμορφο φωτοβολταϊκό πυρίτιο:

Η αρχή του ηλιακού συλλέκτη

Όταν το φως του ήλιου πέφτει πάνω σε ένα φωτοκύτταρο, δημιουργούνται ζεύγη οπών ηλεκτρονίων σε ισορροπία. Τα υπερβολικά ηλεκτρόνια και οι "οπές" μεταφέρονται μερικώς μέσω της διασταύρωσης pn από το ένα στρώμα ημιαγωγών στο άλλο.

Ως αποτέλεσμα, η τάση εμφανίζεται στο εξωτερικό κύκλωμα. Σε αυτήν την περίπτωση, ένας θετικός πόλος της πηγής ρεύματος σχηματίζεται στην επαφή του στρώματος ρ και ένας αρνητικός πόλος στο στρώμα n.

Η πιθανή διαφορά (τάση) μεταξύ των επαφών του φωτοκυττάρου εμφανίζεται λόγω της αλλαγής στον αριθμό των "οπών" και των ηλεκτρονίων από διαφορετικές πλευρές της διασταύρωσης p-n ως αποτέλεσμα της ακτινοβόλησης του στρώματος n από ηλιακές ακτίνες

Τα φωτοκύτταρα που συνδέονται με εξωτερικό φορτίο με τη μορφή μπαταρίας σχηματίζουν έναν φαύλο κύκλο μαζί του. Ως αποτέλεσμα, το ηλιακό πλαίσιο λειτουργεί σαν ένα είδος τροχού κατά μήκος του οποίου τα ηλεκτρόνια «τρέχουν» μαζί με πρωτεΐνες. Και η επαναφορτιζόμενη μπαταρία αυξάνεται σταδιακά.

Τα τυπικά φωτοβολταϊκά κύτταρα πυριτίου είναι κύτταρα μονής σύνδεσης. Η μεταφορά ηλεκτρονίων σε αυτά συμβαίνει μόνο μέσω μιας σύνδεσης p-n με ζώνη αυτής της μετάβασης περιορισμένης ενέργειας φωτονίου.

Δηλαδή, κάθε τέτοιο φωτοκύτταρο μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό μόνο από ένα στενό φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας. Όλη η άλλη ενέργεια σπαταλάται. Επομένως, η απόδοση των ηλιακών κυττάρων είναι τόσο χαμηλή.

Για να αυξηθεί η αποδοτικότητα των ηλιακών κυψελών, τα στοιχεία ημιαγωγών πυριτίου για αυτά έχουν πρόσφατα γίνει πολλαπλών συνδέσεων (καταρράκτης). Υπάρχουν ήδη αρκετές μεταβάσεις στο νέο FEP. Επιπλέον, καθένας από αυτούς σε αυτόν τον καταρράκτη έχει σχεδιαστεί για το δικό του φάσμα ηλιακού φωτός.

Η συνολική απόδοση της μετατροπής των φωτονίων σε ηλεκτρικό ρεύμα σε τέτοια φωτοκύτταρα αυξάνεται τελικά. Αλλά η τιμή τους είναι πολύ υψηλότερη. Εδώ, είτε ευκολία κατασκευής με χαμηλό κόστος και χαμηλή απόδοση, είτε υψηλότερες αποδόσεις σε συνδυασμό με υψηλό κόστος.

Η ηλιακή μπαταρία μπορεί να λειτουργήσει τόσο το καλοκαίρι όσο και το χειμώνα (χρειάζεται φως, όχι θερμότητα) - όσο λιγότερη θολότητα και ο ήλιος λάμπει φωτεινότερα, τόσο περισσότερο το ηλιακό πάνελ θα παράγει ηλεκτρικό ρεύμα

Κατά τη λειτουργία, το φωτοκύτταρο και ολόκληρη η μπαταρία θερμαίνονται σταδιακά. Όλη η ενέργεια που δεν πήγε στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μετατρέπεται σε θερμότητα. Συχνά η θερμοκρασία στην επιφάνεια του ελικοπτέρου αυξάνεται στους 50-55 ° С. Όσο υψηλότερο είναι, τόσο λιγότερο αποτελεσματικό λειτουργεί το φωτοβολταϊκό κύτταρο.

Ως αποτέλεσμα, το ίδιο μοντέλο μιας ηλιακής μπαταρίας παράγει λιγότερο ρεύμα σε θερμότητα από ότι σε κρύο καιρό. Τα φωτοκύτταρα δείχνουν τη μέγιστη απόδοση σε μια καθαρή χειμερινή ημέρα. Δύο παράγοντες το επηρεάζουν - πολύ ήλιο και φυσική ψύξη.

Επιπλέον, εάν πέσει χιόνι στον πίνακα, θα συνεχίσει να παράγει ηλεκτρική ενέργεια ούτως ή άλλως. Επιπλέον, οι νιφάδες χιονιού δεν έχουν καν χρόνο να ξαπλώσουν πάνω τους, λιωμένες από τη θερμότητα των θερμαινόμενων φωτοκυττάρων.

Ηλιακή απόδοση μπαταρίας

Ένα φωτοκύτταρο, ακόμη και το μεσημέρι, όταν ο καιρός είναι καλός, δίνει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια, αρκετό μόνο για να λειτουργεί ο φακός LED.

Για να αυξηθεί η ισχύς εξόδου, πολλά ηλιακά στοιχεία συνδυάζονται σε ένα παράλληλο κύκλωμα για να αυξήσουν την τάση DC και σε σειρά για να αυξήσουν την ισχύ του ρεύματος.

Η αποτελεσματικότητα των ηλιακών συλλεκτών εξαρτάται από:

• θερμοκρασία αέρα και η ίδια η μπαταρία.
• τη σωστή επιλογή αντίστασης φορτίου ·
• γωνία εμφάνισης του ηλιακού φωτός.
• παρουσία / απουσία αντι-ανακλαστικής επικάλυψης ·
• δύναμη μιας φωτεινής ροής.

Όσο χαμηλότερη είναι η εξωτερική θερμοκρασία, τόσο πιο αποτελεσματικά λειτουργούν τα φωτοκύτταρα και η ηλιακή μπαταρία. Όλα είναι απλά εδώ. Αλλά με τον υπολογισμό του φορτίου, η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη. Θα πρέπει να επιλεγεί με βάση το ρεύμα που δημιουργείται από τον πίνακα. Αλλά η τιμή του ποικίλλει ανάλογα με τους καιρικούς παράγοντες.

Τα Heliopanels κατασκευάζονται με τάση εξόδου πολλαπλάσια των 12 V - εάν πρέπει να παρέχονται 24 V στην μπαταρία, τότε θα πρέπει να συνδεθούν δύο πάνελ σε αυτό παράλληλα

Είναι προβληματικό να παρακολουθείτε συνεχώς τις παραμέτρους της ηλιακής μπαταρίας και να ρυθμίζετε χειροκίνητα τη λειτουργία της. Είναι καλύτερο να το χρησιμοποιήσετε ελεγκτής ελέγχου, το οποίο προσαρμόζει αυτόματα τις ρυθμίσεις του ίδιου του ηλιακού συλλέκτη προκειμένου να επιτύχει τη μέγιστη απόδοση και τους βέλτιστους τρόπους λειτουργίας από αυτό.

Η ιδανική γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων του ήλιου στο ηλιακό κελί είναι ευθεία. Ωστόσο, όταν η απόκλιση είναι 30 μοίρες από την κάθετη, η απόδοση του πίνακα πέφτει μόνο περίπου 5%. Αλλά με μια περαιτέρω αύξηση αυτής της γωνίας, θα αντανακλάται ένα αυξανόμενο ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας, μειώνοντας έτσι την αποδοτικότητα των ηλιακών κυττάρων.

Εάν η μπαταρία απαιτείται για να δώσει τη μέγιστη ενέργεια το καλοκαίρι, τότε θα πρέπει να προσανατολίζεται κάθετα προς τη μέση θέση του Ήλιου, την οποία καταλαμβάνει τις ημέρες της ισημερίας την άνοιξη και το φθινόπωρο.

Για την περιοχή της Μόσχας, είναι περίπου 40-45 μοίρες στον ορίζοντα. Εάν το μέγιστο απαιτείται το χειμώνα, τότε το πλαίσιο πρέπει να τοποθετηθεί σε πιο κάθετη θέση.

Και ένα ακόμη πράγμα - η σκόνη και η βρωμιά μειώνουν σημαντικά την απόδοση των ηλιακών κυττάρων. Τα φωτόνια μέσω ενός τέτοιου «βρώμικου» φράγματος απλά δεν φτάνουν σε αυτά, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει τίποτα για μετατροπή σε ηλεκτρισμό. Τα πάνελ πρέπει να πλένονται τακτικά ή να τοποθετούνται έτσι ώστε η σκόνη να ξεπλένεται μόνη της από τη βροχή.

Ορισμένα ηλιακά κύτταρα διαθέτουν ενσωματωμένους φακούς για τη συγκέντρωση της ακτινοβολίας στα ηλιακά κύτταρα. Όταν ο καιρός είναι καλός, αυτό οδηγεί σε αυξημένη απόδοση. Ωστόσο, με βαρύ κάλυμμα νέφους, αυτοί οι φακοί βλάπτουν μόνο.

Εάν ένα συμβατικό πάνελ σε μια τέτοια κατάσταση συνεχίσει να παράγει ρεύμα, αν και σε μικρότερους όγκους, το μοντέλο του φακού θα σταματήσει να λειτουργεί σχεδόν πλήρως.

Στην ιδανική περίπτωση, ο ήλιος από μια μπαταρία ηλιακών κυττάρων πρέπει να φωτίζεται ομοιόμορφα. Εάν ένα από τα τμήματα του αποδειχθεί σκοτεινό, τότε το φωτισμένο PEC μετατρέπεται σε παρασιτικό φορτίο. Όχι μόνο σε αυτήν την κατάσταση δεν παράγουν ενέργεια, αλλά επίσης την παίρνουν από τα στοιχεία εργασίας.

Τα πάνελ πρέπει να εγκατασταθούν έτσι ώστε να μην υπάρχουν δέντρα, κτίρια ή άλλα εμπόδια στη διαδρομή των ακτίνων του ήλιου.

Σχέδιο ισχύος του σπιτιού από τον ήλιο

Το σύστημα ηλιακής ενέργειας περιλαμβάνει:

1. Ηλιακοί συλλέκτες.
2. Ελεγκτής
3. Μπαταρίες.
4. Μετατροπέας (μετασχηματιστής).

Ο ελεγκτής σε αυτό το κύκλωμα προστατεύει τόσο τους ηλιακούς συλλέκτες όσο και τις μπαταρίες. Από τη μία πλευρά, αποτρέπει τη ροή αντίστροφων ρευμάτων τη νύχτα και σε συννεφιά, και από την άλλη πλευρά, προστατεύει τις μπαταρίες από υπερβολική φόρτιση / εκφόρτιση.

Οι μπαταρίες για ηλιακούς συλλέκτες πρέπει να επιλέγονται το ίδιο σε ηλικία και χωρητικότητα, διαφορετικά η φόρτιση / εκφόρτιση θα συμβεί άνισα, γεγονός που θα οδηγήσει σε απότομη μείωση της διάρκειας ζωής τους

Για να μετατρέψετε ένα ρεύμα DC 12, 24 ή 48 Volt σε εναλλασσόμενα 220-volt απαιτούνται μετατροπέας. Οι μπαταρίες αυτοκινήτου δεν συνιστώνται για χρήση σε ένα τέτοιο κύκλωμα λόγω της αδυναμίας τους να αντέχουν σε συχνές επαναφορτίσεις. Είναι καλύτερο να ξοδεύετε χρήματα και να αγοράζετε ειδικές AGM ήλιο ή ζελατινοποιημένες μπαταρίες OPzS.

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο σχετικά με το θέμα

Αρχές λειτουργίας και ηλιακοί συλλέκτες όχι πολύ περίπλοκο για να το καταλάβεις. Και με το υλικό βίντεο που συλλέξαμε παρακάτω, θα είναι ακόμη πιο εύκολο να κατανοήσουμε όλες τις περιπλοκές της λειτουργίας και της εγκατάστασης των ηλιακών συλλεκτών.

Είναι προσβάσιμο και κατανοητό πώς λειτουργεί η φωτοβολταϊκή ηλιακή μπαταρία, με όλες τις λεπτομέρειες:

Πώς οργανώνονται τα ηλιακά πάνελ, δείτε το παρακάτω βίντεο:

DIY συναρμολόγηση ηλιακού συλλέκτη από φωτοκύτταρα:

Κάθε στοιχείο στο σύστημα ηλιακής ενέργειας το εξοχικό σπίτι πρέπει να επιλεγεί με ικανοποίηση. Αναπόφευκτες απώλειες ισχύος συμβαίνουν στις μπαταρίες, τους μετασχηματιστές και τον ελεγκτή. Και πρέπει να μειωθούν στο ελάχιστο, διαφορετικά η αρκετά χαμηλή απόδοση των ηλιακών συλλεκτών θα μειωθεί στο μηδέν γενικά.

Κατά τη μελέτη του υλικού υπήρχαν ερωτήσεις; Ή γνωρίζετε πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με το θέμα του άρθρου και μπορείτε να τις πείτε στους αναγνώστες μας; Αφήστε τα σχόλιά σας στο παρακάτω πλαίσιο.