Saules baterijas darbības princips: kā saules panelis ir sakārtots un darbojas

Efektīva brīvo saules staru pārvēršana enerģijā, ko var izmantot, lai darbinātu mājokļus un citas telpas, ir daudzu zaļās enerģijas apologu lolots sapnis.

Bet saules baterijas darbības princips un tā efektivitāte ir tāda, ka nav nepieciešams runāt par šādu sistēmu augsto efektivitāti. Būtu jauki, ja jums būtu savs papildu elektrības avots. Vai ne? Turklāt pat šodien Krievijā ar saules paneļu palīdzību ievērojamam skaitam privāto mājsaimniecību tiek veiksmīgi piegādāta “bezmaksas” elektrība. Jūs joprojām nezināt, kur sākt?

Zemāk mēs jums pastāstīsim par ierīci un saules paneļa darbības principiem, jūs uzzināsit, no kā ir atkarīga saules sistēmas efektivitāte. Un rakstā iesūtītie video palīdzēs personīgi salikt saules paneli no fotoelementiem.

Saules paneļi: terminoloģija

"Saules enerģijas" tēmā ir daudz nianšu un neskaidrību. Iesācējiem bieži ir grūti sākumā saprast visus nepazīstamos terminus. Bet bez tā nav saprātīgi iesaistīties saules enerģijā, iegādāties aprīkojumu “saules” strāvas ģenerēšanai.

Neapzināti jūs varat ne tikai izvēlēties nepareizu paneli, bet arī vienkārši sadedzināt, kad tas ir savienots, vai arī no tā iegūt pārāk mazu enerģiju.

Vispirms jums ir jāsaprot esošās saules enerģijas iekārtas. Saules paneļi un saules kolektori ir divas principiāli atšķirīgas ierīces. Abas no tām pārveido saules staru enerģiju.

Tomēr pirmajā gadījumā patērētājs elektrisko enerģiju saņem pie kontaktligzdas, bet otrajā gadījumā siltumenerģiju silda dzesēšanas šķidruma veidā, t.i. tiek izmantoti saules paneļi mājas apkure.

Maksimālo atdevi no saules paneļa var iegūt, tikai zinot, kā tas darbojas, no kādiem komponentiem un komponentiem tas sastāv un kā tas viss pareizi savienojas

Otra nianse ir pati termina “saules baterija” jēdziens. Parasti vārds "akumulators" attiecas uz kaut kādu enerģijas uzkrāšanas ierīci. Vai arī ienāk prātā banāls sildīšanas radiators. Tomēr saules bateriju gadījumā situācija ir radikāli atšķirīga. Viņi neko sevī neuzkrāj.

Saules panelis ģenerē pastāvīgu elektrisko strāvu. Lai to pārveidotu par mainīgu (izmanto ikdienas dzīvē), ķēdē jābūt invertoram

Saules paneļi ir paredzēti vienīgi elektriskās strāvas ģenerēšanai. Tas, savukārt, uzkrājas, lai naktī, kad saule noriet virs horizonta, māju apgādātu ar elektrību, jau esošajās baterijās papildus objekta barošanas shēmai.

Akumulators šeit tiek domāts saistībā ar noteiktu viena veida sastāvdaļu kombināciju, kas samontēta vienā veselumā. Faktiski tas ir tikai vairāku identisku fotoelementu panelis.

Saules baterijas iekšējā struktūra

Pakāpeniski saules paneļi kļūst lētāki un efektīvāki. Tagad tos izmanto, lai uzlādētu baterijas ielu apgaismojumā, viedtālruņos, elektriskajās automašīnās, privātmājās un kosmosa pavadoņos. No tiem viņi pat sāka būvēt pilnvērtīgas saules spēkstacijas (SES) ar lielu ražošanas apjomu.

Saules baterija sastāv no daudziem fotoelementiem (fotoelementu fotoelektriskajiem pārveidotājiem), kas pārvērš saules saules fotonu enerģiju elektrībā

Katra saules baterija ir sakārtota kā n-ta skaita moduļu bloks, kas apvieno virknē pusvadītāju fotoelementus. Lai izprastu šādas akumulatora darbības principus, ir jāsaprot šīs galīgās saites darbība saules paneļa ierīcē, kas izveidota uz pusvadītāju bāzes.

Fotoelementu kristālu veidi

Dažādu ķīmisko elementu saules baterijām ir ļoti daudz iespēju. Tomēr lielākā daļa no tām ir izstrāde sākotnējos posmos. Pagaidām rūpnieciskā mērogā tiek ražoti tikai paneļi, kas izgatavoti no saules baterijām, kuru pamatā ir silīcijs.

Silīcija pusvadītāji tiek izmantoti saules bateriju ražošanā, jo to zemās izmaksas nevar lepoties ar īpaši augstu efektivitāti

Parasta saules baterija saules panelī ir plāna plātne, kurā ir divi silīcija slāņi, no kuriem katram ir savas fizikālās īpašības. Šis ir klasisks pusvadītāju pn savienojums ar elektronu-caurumu pāriem.

Kad fotoni nonāk PEC starp šiem pusvadītāja slāņiem kristāla nehomogenitātes dēļ, veidojas vārtu foto-emf, kā rezultātā rodas potenciāla starpība un elektronu strāva.

Saules bateriju silīcija vafelēm ir atšķirīga ražošanas tehnoloģija:

1. Monokristāliski.
2. Polikristāliski.

Pirmajiem ir augstāka efektivitāte, taču to ražošanas izmaksas ir augstākas nekā pēdējām. Ārēji vienu no saules paneļa variantiem var atšķirt pēc formas.

Viena kristāla PEC ir vienota struktūra, tie ir izgatavoti kvadrātu veidā ar izgrieztiem stūriem. Turpretī polikristāliskajiem elementiem ir stingri kvadrātveida forma.

Polikristālus iegūst, pakāpeniski atdzesējot izkausētu silīciju. Šī metode ir ārkārtīgi vienkārša, tāpēc arī šādi fotoelementi ir lēti.

Bet produktivitāte, ražojot elektrību no saules stariem, reti pārsniedz 15%. Tas ir saistīts ar iegūto silīcija vafeļu “piemaisījumu” un to iekšējo struktūru. Šeit, jo tīrāks ir silīcija p slānis, jo augstāka ir PEC no tā efektivitāte.

Atsevišķu kristālu tīrība šajā ziņā ir daudz augstāka nekā polikristāliskajiem analogiem. Tie ir izgatavoti nevis no kausēta, bet no mākslīgi audzēta vesela silīcija kristāla. Fotoelementu konversijas koeficients šādiem saules elementiem jau sasniedz 20–22%.

Kopējā modulī atsevišķi fotoelementi tiek salikti uz alumīnija rāmja, un, lai tos pasargātu no augšas, tie ir aizvērti ar izturīgu stiklu, kas nemaz netraucē saules stariem

Saules bateriju plāksnes augšējais slānis, kas vērsts pret sauli, ir izgatavots no tā paša silīcija, bet ar fosfora piedevu. Tieši pēdējais būs lieko elektronu avots pn savienojuma sistēmā.

Elastīgu paneļu ar amorfu fotoelektrisko silīciju izstrāde ir kļuvusi par īstu sasniegumu saules enerģijas izmantošanas jomā:

Saules paneļa princips

Kad saules gaisma nokrīt uz fotoelementa, tajā nerodas līdzsvara elektronu-caurumu pāri. Elektronu pārpalikumi un "caurumi" daļēji tiek pārsūtīti caur pn krustojumu no viena pusvadītāja slāņa uz otru.

Tā rezultātā ārējā ķēdē parādās spriegums. Šajā gadījumā strāvas avota pozitīvais pols tiek izveidots pie p-slāņa kontakta, un negatīvs - pie n-slāņa.

Potenciālā starpība (spriegums) starp fotoelementa kontaktiem parādās, mainoties “caurumiem” un elektroniem no dažādām p-n krustojuma pusēm, n-slāni apstarojot ar saules stariem.

Fotoelementi, kas savienoti ar ārēju slodzi akumulatora formā, ar to veido apburto loku. Tā rezultātā saules panelis darbojas kā sava veida ritenis, pa kuru elektroni “skrien” kopā ar olbaltumvielām. Un atkārtoti uzlādējamais akumulators pakāpeniski uzlādējas.

Standarta silīcija fotoelementi ir viena savienojuma elementi. Elektronu pārnešana tajos notiek tikai caur vienu p-n krustojumu ar šīs pārejas zonu, kas ierobežota fotonu enerģijā.

Tas ir, katrs šāds fotoelements ir spējīgs ražot elektrību tikai no šaura saules starojuma spektra. Visa cita enerģija tiek izšķiesta. Tāpēc saules bateriju efektivitāte ir tik zema.

Lai palielinātu saules bateriju efektivitāti, silīcija pusvadītāju elementi tiem nesen ir izgatavoti daudzpusēji (kaskādes). Jaunajā FEP jau ir vairākas pārejas. Turklāt katrs no tiem šajā kaskādē ir paredzēts savam saules gaismas spektram.

Kopumā palielinās fotonu pārvēršanas elektriskajā strāvā efektivitāte šādos fotoelementos. Bet viņu cena ir daudz augstāka. Šeit vai nu ražošanas vienkāršība ar zemām izmaksām un zemu efektivitāti, vai arī augstāka atdeve kopā ar augstām izmaksām.

Saules baterija var darboties gan vasarā, gan ziemā (tai nepieciešama gaisma, nevis siltums) - jo mazāk mākoņainības un saule spīd spožāk, jo vairāk saules panelis ģenerēs elektrisko strāvu

Darbības laikā fotoelements un viss akumulators pakāpeniski sakarst. Visa enerģija, kas neizmantoja elektriskās strāvas ģenerēšanu, tiek pārveidota siltumā. Bieži vien temperatūra uz heiopaneļa virsmas paaugstinās līdz 50–55 ° С. Bet jo augstāks tas ir, jo mazāk efektīva darbojas fotoelementu baterija.

Rezultātā tas pats saules baterijas modelis siltumā rada mazāk strāvas nekā aukstā laikā. Fotoelementi parāda maksimālu efektivitāti skaidrā ziemas dienā. To ietekmē divi faktori - daudz saules un dabiska dzesēšana.

Turklāt, ja uz paneļa nokrīt sniegs, tas tik un tā turpinās ražot elektrību. Turklāt sniegpārslām pat nav laika uz tās apgulties, tās izkusušas no sakarsētu fotoelementu karstuma.

Saules bateriju efektivitāte

Viens fotoelements pat pusdienlaikā skaidros laika apstākļos izdala diezgan daudz elektrības, tikai pietiekami, lai darbotos LED lukturītis.

Lai palielinātu izejas jaudu, vairākas saules baterijas tiek apvienotas paralēlā ķēdē, lai palielinātu līdzstrāvas spriegumu, un virknē, lai palielinātu strāvas stiprumu.

Saules paneļu efektivitāte ir atkarīga no:

• gaisa temperatūra un pati baterija;
• pareiza slodzes pretestības izvēle;
• saules gaismas iedarbības leņķis;
• pretatstarojoša pārklājuma esamība / neesamība;
• gaismas straumes spēks.

Jo zemāka temperatūra ārā, jo efektīvāk darbojas fotoelementi un saules baterija. Šeit viss ir vienkārši. Bet ar slodzes aprēķināšanu situācija ir sarežģītāka. Tas jāizvēlas, pamatojoties uz paneļa ģenerēto strāvu. Bet tā vērtība mainās atkarībā no laika faktoriem.

Helio paneļi tiek ražoti ar 12 V izejas spriegumu - ja akumulatoram jāpievada 24 V, tad tam paralēli jāpievieno divi paneļi

Ir problemātiski pastāvīgi uzraudzīt saules baterijas parametrus un manuāli pielāgot tā darbību. Labāk ir izmantot vadības kontrolieris, kas automātiski pielāgo paša saules paneļa iestatījumus, lai no tā sasniegtu maksimālu veiktspēju un optimālus darba režīmus.

Ideālais saules staru iedarbības leņķis uz saules bateriju ir taisns. Tomēr, ja novirze nepārsniedz 30 grādus no perpendikula, paneļa efektivitāte samazinās tikai ap 5%. Bet, vēl vairāk palielinot šo leņķi, arvien lielāka saules starojuma daļa tiks atspoguļota, tādējādi samazinot saules bateriju efektivitāti.

Ja akumulators vasarā prasa maksimālu enerģijas daudzumu, tad tam jābūt orientētam perpendikulāri Saules vidējam stāvoklim, ko tā aizņem ekvinokcijas dienās pavasarī un rudenī.

Maskavas reģionam tas ir aptuveni 40–45 grādi pie horizonta. Ja ziemā ir nepieciešams maksimums, tad panelis jānovieto vertikālākā stāvoklī.

Un vēl viena lieta - putekļi un netīrumi ievērojami samazina saules bateriju veiktspēju. Fotoni caur šādu "netīro" barjeru vienkārši tos nesasniedz, kas nozīmē, ka nav ko pārveidot elektrībā. Paneļi ir regulāri jāmazgā vai jānovieto tā, lai lietus pats no tiem atbrīvotu putekļus.

Dažās saules baterijās ir iebūvētas lēcas, lai koncentrētu starojumu uz saules baterijām. Skaidrā laikā tas palielina efektivitāti. Tomēr ar lielu mākoņu pārklājumu šīs lēcas tikai nodara kaitējumu.

Ja parastais panelis šādā situācijā turpina radīt strāvu, kaut arī mazākos apjomos, objektīva modelis gandrīz pilnībā pārstāj darboties.

Ideālā gadījumā saule no saules bateriju akumulatora būtu vienmērīgi jāapgaismo. Ja kāda no tās sekcijām izrādās aptumšota, tad neapgaismotais PEC pārvēršas par parazītu slodzi. Viņi ne tikai šajā situācijā neražo enerģiju, bet arī ņem to no darba elementiem.

Paneļi jāuzstāda tā, lai saules staru ceļā nebūtu koku, ēku un citu šķēršļu.

Mājas enerģijas shēma no saules

Saules enerģijas sistēmā ietilpst:

1. Saules paneļi.
2. Kontrolieris
3. Baterijas.
4. Invertors (transformators).

Šīs shēmas kontrolieris aizsargā gan saules paneļus, gan baterijas. No vienas puses, tas novērš reverso straumju plūsmu naktī un mākoņainā laikā, un, no otras puses, aizsargā baterijas no pārmērīgas uzlādes / izlādes.

Saules paneļu akumulatori būtu jāizvēlas vienādi pēc vecuma un ietilpības, pretējā gadījumā uzlāde / izlādēšanās notiks nevienmērīgi, kā rezultātā strauji samazinās to kalpošanas laiks.

Lai pārveidotu līdzstrāvas 12, 24 vai 48 voltu strāvu par vajadzīgu mainīgu 220 voltu invertors. Automašīnu akumulatorus nav ieteicams izmantot šādā shēmā, jo tie nespēj izturēt biežu uzlādi. Vislabāk ir tērēt naudu un iegādāties īpašas hēlija AGM vai sarecētas OPzS baterijas.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Darbības principi un saules paneļi nav pārāk sarežģīti, lai saprastu. Ar video materiāliem, ko apkopojām zemāk, būs vēl vieglāk saprast visus sarežģījumus, kas saistīti ar saules paneļu darbību un uzstādīšanu.

Tas ir pieejams un saprotams, kā darbojas fotoelektriskā saules baterija:

Kā tiek izvietoti saules paneļi, skatiet šo video:

Saules paneļa DIY montāža no fotoelementiem:

Katru vienumu iekšā saules enerģijas sistēma vasarnīca ir jāizvēlas kompetenti. Neizbēgami enerģijas zudumi rodas akumulatoriem, transformatoriem un kontrolierim. Un tie ir jāsamazina līdz minimumam, pretējā gadījumā pietiekami zema saules paneļu efektivitāte kopumā tiks samazināta līdz nullei.

Materiāla izpētes laikā bija jautājumi? Vai arī jūs zināt vērtīgu informāciju par raksta tēmu un vai varat to pastāstīt mūsu lasītājiem? Lūdzu, atstājiet savus komentārus zemāk esošajā lodziņā.