Il principio di funzionamento della batteria solare: come è organizzato e funziona il pannello solare

L'efficace conversione dei raggi liberi del sole in energia che può essere utilizzata per alimentare abitazioni e altre strutture è un caro sogno di molti apologeti per l'energia verde.

Ma il principio di funzionamento della batteria solare e la sua efficienza sono tali che non è necessario parlare dell'alta efficienza di tali sistemi. Sarebbe bello avere la propria fonte di energia aggiuntiva. Non è vero? Inoltre, anche oggi in Russia, con l'aiuto dei pannelli solari, un numero considerevole di abitazioni private viene rifornito con successo di elettricità "gratuita". Ancora non sai da dove cominciare?

Di seguito ti parleremo del dispositivo e dei principi di funzionamento del pannello solare, scoprirai da cosa dipende l'efficienza del sistema solare. E i video pubblicati nell'articolo aiuteranno a assemblare personalmente un pannello solare da fotocellule.

Pannelli solari: terminologia

In tema di "energia solare" ci sono molte sfumature e confusione. Spesso è difficile per i principianti comprendere inizialmente tutti i termini non familiari. Ma senza questo, impegnarsi nell'energia solare, acquisire attrezzature per generare corrente "solare", è irragionevole.

Inconsapevolmente, non solo puoi scegliere il pannello sbagliato, ma semplicemente bruciarlo quando collegato o estrarre troppo poca energia da esso.

Innanzitutto è necessario comprendere le varietà esistenti di apparecchiature per l'energia solare. I pannelli solari e i collettori solari sono due dispositivi fondamentalmente diversi. Entrambi trasformano l'energia dei raggi del sole.

Tuttavia, nel primo caso, il consumatore riceve energia elettrica all'uscita e nel secondo caso l'energia termica sotto forma di un refrigerante riscaldato, ad es. i pannelli solari sono usati per riscaldamento domestico.

Il massimo ritorno dal pannello solare può essere ottenuto solo conoscendo come funziona, quali componenti e componenti è costituito e come tutto si collega correttamente

La seconda sfumatura è il concetto stesso del termine "batteria solare". In genere, la parola "batteria" si riferisce a un tipo di dispositivo di accumulo dell'energia. Oppure viene in mente un banale radiatore di riscaldamento. Tuttavia, nel caso delle batterie solari, la situazione è radicalmente diversa. Non accumulano nulla in se stessi.

Il pannello solare genera una corrente elettrica costante. Per convertirlo in una variabile (usata nella vita di tutti i giorni), nel circuito deve essere presente un inverter

I pannelli solari sono progettati esclusivamente per generare corrente elettrica. A sua volta, si accumula per fornire elettricità alla casa di notte, quando il sole tramonta all'orizzonte, già nelle batterie presenti oltre allo schema di alimentazione dell'oggetto.

La batteria qui è implicita nel contesto di una certa combinazione dello stesso tipo di componenti assemblati in un unico insieme. In realtà, questo è solo un pannello di più fotocellule identiche.

La struttura interna della cella solare

A poco a poco, i pannelli solari stanno diventando più economici ed efficienti. Ora sono utilizzati per ricaricare le batterie di lampioni, smartphone, auto elettriche, case private e satelliti nello spazio. Di questi, hanno persino iniziato a costruire centrali solari a pieno titolo (SES) con grandi volumi di generazione.

La batteria solare è composta da molte fotocellule (convertitori fotovoltaici di celle fotovoltaiche) che convertono l'energia dei fotoni dal sole in elettricità

Ogni batteria solare è disposta come un blocco di un ennesimo numero di moduli che si combinano in fotocellule a semiconduttore in serie. Per comprendere i principi di funzionamento di una tale batteria, è necessario comprendere il funzionamento di questo collegamento finale nel dispositivo del pannello solare creato sulla base di semiconduttori.

Tipi di cristalli di fotocellule

Ci sono molte opzioni per celle solari da diversi elementi chimici. Tuttavia, la maggior parte di essi è sviluppo nelle fasi iniziali. Finora, solo i pannelli realizzati con celle solari a base di silicio vengono attualmente prodotti su scala industriale.

I semiconduttori al silicio sono utilizzati nella produzione di celle solari a causa del loro basso costo, non possono vantare un'efficienza particolarmente elevata

Una cella solare comune in un pannello solare è una lastra sottile di due strati di silicio, ognuno dei quali ha le sue proprietà fisiche. Questa è una classica giunzione pn a semiconduttore con coppie elettrone-buco.

Quando i fotoni colpiscono la PEC tra questi strati del semiconduttore a causa della disomogeneità del cristallo, si forma una foto-emf di gate, risultante in una differenza di potenziale e una corrente di elettroni.

I wafer di silicio delle celle solari si differenziano per la tecnologia di produzione per:

1. Monocristallino.
2. Policristallino.

I primi hanno un'efficienza maggiore, ma il costo della loro produzione è superiore a quello dei secondi. Esternamente, un'opzione dall'altra sul pannello solare può essere distinta per forma.

I PEC a cristallo singolo hanno una struttura uniforme; sono realizzati sotto forma di quadrati con angoli tagliati. Al contrario, gli elementi policristallini hanno una forma rigorosamente quadrata.

I policristalli si ottengono raffreddando gradualmente il silicio fuso. Questo metodo è estremamente semplice, quindi anche tali fotocellule sono economiche.

Ma la produttività in termini di generazione di elettricità dalla luce solare raramente supera il 15%. Ciò è dovuto alla "impurità" dei wafer di silicio ottenuti e alla loro struttura interna. Qui, più pulito è lo strato p di silicio, maggiore è l'efficienza del PEC da esso.

La purezza dei singoli cristalli in questo senso è molto più elevata di quella degli analoghi policristallini. Non sono fatti di cristallo di silicio intero coltivato artificialmente. Il coefficiente di conversione fotovoltaica per tali celle solari raggiunge già il 20-22%.

In un modulo comune, le singole fotocellule sono assemblate su un telaio in alluminio e, per proteggerle dall'alto, sono chiuse con vetro resistente, che non interferisce affatto con i raggi del sole

Lo strato superiore della piastra della cella solare rivolta verso il sole è realizzato con lo stesso silicio, ma con l'aggiunta di fosforo. È quest'ultimo che sarà la fonte di elettroni in eccesso nel sistema di giunzione pn.

Lo sviluppo di pannelli flessibili con silicio fotoelettrico amorfo è diventato una vera svolta nel campo dell'utilizzo dell'energia solare:

Il principio del pannello solare

Quando la luce del sole cade su una fotocellula, in essa vengono generate coppie di buchi di elettroni di non equilibrio. Elettroni in eccesso e "buchi" vengono parzialmente trasferiti attraverso la giunzione pn da uno strato semiconduttore ad un altro.

Di conseguenza, la tensione appare nel circuito esterno. In questo caso, un polo positivo della sorgente corrente si forma al contatto dello strato p, e un polo negativo sullo strato n.

La differenza potenziale (tensione) tra i contatti della fotocellula appare a causa di una variazione nel numero di "buchi" e di elettroni da diversi lati della giunzione p-n a causa dell'irradiazione dello strato n da parte dei raggi solari

Le fotocellule collegate a un carico esterno sotto forma di una batteria formano un circolo vizioso con esso. Di conseguenza, il pannello solare funziona come una specie di ruota lungo la quale gli elettroni "corrono" insieme alle proteine. E la batteria ricaricabile sta gradualmente caricando.

Le celle fotovoltaiche al silicio standard sono celle a giunzione singola. Il trasferimento di elettroni in essi avviene solo attraverso una giunzione p-n con una zona di questa transizione limitata nell'energia dei fotoni.

Cioè, ciascuna di tali fotocellule è in grado di generare elettricità solo da uno spettro ristretto di radiazione solare. Tutte le altre energie vengono sprecate. Pertanto, l'efficienza delle celle solari è così bassa.

Per aumentare l'efficienza delle celle solari, recentemente sono stati realizzati multi-giunzione (cascata) di elementi semiconduttori al silicio per loro. Esistono già diverse transizioni nel nuovo FEP. Inoltre, ciascuno di essi in questa cascata è progettato per il proprio spettro di luce solare.

L'efficienza totale della conversione dei fotoni in corrente elettrica in tali fotocellule aumenta alla fine. Ma il loro prezzo è molto più alto. Qui, facilità di produzione a basso costo e bassa efficienza, o rendimenti più elevati abbinati a costi elevati.

La batteria solare può funzionare sia in estate che in inverno (ha bisogno di luce, non di calore): meno nuvolosità e il sole splende più luminoso, più il pannello solare genererà una corrente elettrica

Durante il funzionamento, la fotocellula e l'intera batteria si riscaldano gradualmente. Tutta l'energia che non è andata alla generazione di corrente elettrica viene trasformata in calore. Spesso la temperatura sulla superficie dell'eliopanel sale a 50–55 ° С. Ma più è alto, meno efficiente funziona la cella fotovoltaica.

Di conseguenza, lo stesso modello di una batteria solare genera meno corrente nel calore che nel freddo. Le fotocellule mostrano la massima efficienza in una limpida giornata invernale. Due fattori influiscono su questo: molto sole e raffreddamento naturale.

Inoltre, se la neve cade sul pannello, continuerà comunque a generare elettricità. Inoltre, i fiocchi di neve non hanno nemmeno il tempo di sdraiarsi su di esso, sciolti dal calore delle fotocellule riscaldate.

Efficienza della batteria solare

Una fotocellula anche a mezzogiorno con tempo sereno emette un bel po 'di elettricità, sufficiente per far funzionare la torcia a LED.

Per aumentare la potenza di uscita, diverse celle solari sono combinate in un circuito parallelo per aumentare la tensione CC e in serie per aumentare la corrente.

L'efficacia dei pannelli solari dipende da:

• temperatura dell'aria e della batteria stessa;
• la corretta selezione della resistenza di carico;
• angolo di incidenza della luce solare;
• presenza / assenza di rivestimento antiriflesso;
• potenza di un flusso luminoso.

Più bassa è la temperatura esterna, più efficienti sono le fotocellule e la batteria solare nel suo complesso. Qui è tutto semplice. Ma con il calcolo del carico, la situazione è più complicata. Dovrebbe essere selezionato in base alla corrente generata dal pannello. Ma il suo valore varia a seconda dei fattori meteorologici.

I pannelli solari sono disponibili con una tensione di uscita che è un multiplo di 12 V - se per la batteria sono necessari 24 V, quindi due pannelli dovranno essere collegati in parallelo

È problematico monitorare costantemente i parametri della batteria solare e regolarne manualmente il funzionamento. È meglio usare controller di controllo, che regola automaticamente le impostazioni del pannello solare stesso al fine di ottenere le massime prestazioni e modalità operative ottimali da esso.

L'angolo ideale di incidenza dei raggi del sole sulla cella solare è dritto. Tuttavia, quando la deviazione si trova entro 30 gradi dalla perpendicolare, l'efficienza del pannello diminuisce solo del 5% circa. Ma con un ulteriore aumento di questo angolo, verrà riflessa una percentuale crescente di radiazione solare, riducendo così l'efficienza delle celle solari.

Se la batteria deve fornire la massima energia in estate, dovrebbe essere orientata perpendicolarmente alla posizione media del Sole, che occupa sull'equinozio in primavera e in autunno.

Per la regione di Mosca, ci sono circa 40–45 gradi all'orizzonte. Se in inverno è necessario il massimo, il pannello deve essere posizionato in una posizione più verticale.

E un'altra cosa: polvere e sporcizia riducono notevolmente le prestazioni delle celle solari. I fotoni attraverso una barriera così "sporca" semplicemente non li raggiungono, il che significa che non c'è nulla da convertire in elettricità. I pannelli devono essere lavati regolarmente o posizionati in modo che la polvere venga rimossa dalla pioggia da sola.

Alcune celle solari hanno lenti incorporate per concentrare le radiazioni sulle celle solari. Con tempo sereno, questo porta ad una maggiore efficienza. Tuttavia, con una copertura nuvolosa intensa, questi obiettivi fanno solo male.

Se un pannello convenzionale in tale situazione continua a generare corrente, anche se in volumi più piccoli, il modello di obiettivo smetterà di funzionare quasi completamente.

Idealmente, il sole proveniente da una batteria a celle solari dovrebbe essere illuminato in modo uniforme. Se una delle sue sezioni risulta oscurata, la PEC non illuminata si trasforma in un carico parassitario. Non solo in questa situazione non generano energia, ma la prendono anche dagli elementi di lavoro.

I pannelli devono essere installati in modo tale che non vi siano alberi, edifici o altri ostacoli lungo il percorso dei raggi del sole.

Schema di potenza della casa dal sole

Il sistema di energia solare comprende:

1. Pannelli solari.
2. Controller.
3. Batterie.
4. Inverter (trasformatore).

Il controller in questo circuito protegge sia i pannelli solari che le batterie. Da un lato, impedisce alle correnti inverse di fluire di notte e con tempo nuvoloso, dall'altro protegge le batterie dall'eccessiva carica / scarica.

Le batterie per i pannelli solari devono essere selezionate uguali per età e capacità, altrimenti la carica / scarica si verificherà in modo non uniforme, il che porterà a una forte riduzione della loro durata

Per trasformare una corrente continua di 12, 24 o 48 volt in 220 volt alternati necessari inverter. Le batterie per auto non sono consigliate per l'uso in tale circuito a causa della loro incapacità di resistere a ricariche frequenti. È meglio spendere soldi e acquistare AGM speciali all'elio o batterie OPzS in gel.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Principi di funzionamento e pannelli solari non troppo complicato da capire. E con i materiali video raccolti da noi di seguito, sarà ancora più semplice comprendere tutte le complessità del funzionamento e dell'installazione dei pannelli solari.

È accessibile e comprensibile come funziona la batteria solare fotovoltaica, in tutti i dettagli:

Come sono disposti i pannelli solari, guarda il seguente video:

Montaggio fai-da-te di un pannello solare da fotocellule:

Ogni articolo in sistema di energia solare il cottage deve essere selezionato con competenza. Perdite di potenza inevitabili si verificano su batterie, trasformatori e controller. E devono essere ridotti al minimo, altrimenti l'efficienza sufficientemente bassa dei pannelli solari sarà ridotta a zero in generale.

Durante lo studio del materiale ci sono state domande? Oppure conosci informazioni preziose sull'argomento dell'articolo e puoi dirlo ai nostri lettori? Si prega di lasciare i vostri commenti nella casella qui sotto.