Het werkingsprincipe van de zonnebatterij: hoe het zonnepaneel is opgesteld en werkt

De effectieve omzetting van vrije zonnestralen in energie die kan worden gebruikt om woningen en andere voorzieningen van stroom te voorzien, is een gekoesterde droom van veel apologeten voor groene energie.

Maar het werkingsprincipe van de zonnebatterij en de efficiëntie ervan zijn zodanig dat het niet nodig is om te praten over de hoge efficiëntie van dergelijke systemen. Het zou fijn zijn om een ​​eigen extra stroombron te hebben. Juist? Bovendien wordt zelfs vandaag de dag in Rusland met behulp van zonnepanelen een aanzienlijk aantal particuliere huishoudens met succes voorzien van "gratis" elektriciteit. Weet je nog steeds niet waar je moet beginnen?

Hieronder zullen we u vertellen over het apparaat en de werkingsprincipes van het zonnepaneel, u zult ontdekken waar de efficiëntie van het zonnestelsel van afhangt. En de video's in het artikel zullen helpen om persoonlijk een zonnepaneel uit fotocellen samen te stellen.

Zonnepanelen: terminologie

Bij "zonne-energie" zijn er veel nuances en verwarring. Het is voor beginners vaak moeilijk om eerst alle onbekende termen te begrijpen. Maar zonder dit is het onredelijk om zonne-energie te gebruiken en apparatuur aan te schaffen voor het opwekken van "zonnestroom".

Zonder het te weten, kunt u niet alleen het verkeerde paneel kiezen, maar het gewoon verbranden wanneer het is aangesloten of er te weinig energie uit halen.

Eerst moet u de bestaande soorten apparatuur voor zonne-energie begrijpen. Zonnepanelen en zonnecollectoren zijn twee fundamenteel verschillende apparaten. Beiden transformeren de energie van de zonnestralen.

In het eerste geval ontvangt de consument echter elektrische energie bij de uitlaat en in het tweede geval de thermische energie in de vorm van een verwarmd koelmiddel, d.w.z. zonnepanelen worden gebruikt voor huis verwarming.

Het maximale rendement van het zonnepaneel kan alleen worden verkregen door te weten hoe het werkt, uit welke componenten en componenten het bestaat en hoe het allemaal correct aansluit

De tweede nuance is het concept van de term "zonnebatterij" zelf. Typisch verwijst het woord "batterij" naar een soort energieopslagapparaat. Of je denkt aan een banale verwarmingsradiator. Bij zonnebatterijen is de situatie echter radicaal anders. Ze verzamelen niets in zichzelf.

Het zonnepaneel wekt een constante elektrische stroom op. Om het om te zetten naar een variabele (gebruikt in het dagelijks leven), moet er een omvormer aanwezig zijn in het circuit

Zonnepanelen zijn uitsluitend ontworpen voor het opwekken van elektrische stroom. Het verzamelt zich op zijn beurt om het huis 's nachts van elektriciteit te voorzien, wanneer de zon ondergaat over de horizon, al in de aanwezige batterijen, naast het voedingsschema van het object.

De batterij wordt hier geïmpliceerd in de context van een bepaalde combinatie van hetzelfde type componenten die zijn samengevoegd tot één geheel. In feite is dit slechts een paneel van meerdere identieke fotocellen.

De interne structuur van de zonnecel

Gaandeweg worden zonnepanelen goedkoper en efficiënter. Nu worden ze gebruikt om batterijen op te laden in straatverlichting, smartphones, elektrische auto's, privéwoningen en satellieten in de ruimte. Hiervan zijn ze zelfs begonnen met het bouwen van volwaardige zonne-energiecentrales (SES) met grote productievolumes.

De zonnebatterij bestaat uit veel fotocellen (fotovoltaïsche omvormers van fotovoltaïsche cellen) die de energie van fotonen van de zon omzetten in elektriciteit

Elke zonnebatterij is gerangschikt als een blok van een nth aantal modules die in serie halfgeleiderfotocellen combineren. Om de werkingsprincipes van een dergelijke batterij te begrijpen, is het noodzakelijk om de werking van deze laatste link in het zonnepaneelapparaat dat op basis van halfgeleiders is gemaakt, te begrijpen.

Soorten kristallen van fotocellen

Er zijn veel mogelijkheden voor zonnecellen uit verschillende chemische elementen. De meeste zijn echter ontwikkeling in de beginfase. Tot nu toe worden op industriële schaal alleen panelen gemaakt van zonnecellen op siliciumbasis geproduceerd.

Silicium halfgeleiders worden gebruikt bij de fabricage van zonnecellen vanwege hun lage kosten, ze kunnen niet bogen op een bijzonder hoog rendement

Een gewone zonnecel in een zonnepaneel is een dunne plaat van twee siliciumlagen, die elk hun eigen fysische eigenschappen hebben. Dit is een klassieke halfgeleider-pn-overgang met elektron-gatparen.

Wanneer fotonen de PEC tussen deze lagen van de halfgeleider binnenkomen vanwege de inhomogeniteit van het kristal, wordt een poortfoto-emf gevormd, wat resulteert in een potentiaalverschil en een elektronenstroom.

Siliciumwafels van zonnecellen verschillen in productietechnologie voor:

1. Monokristallijn.
2. Polykristallijn.

De eerste hebben een hoger rendement, maar de productiekosten zijn hoger dan die van de tweede. Uiterlijk kan de ene optie van de andere op het zonnepaneel worden onderscheiden door vorm.

Eenkristal-PEC's hebben een uniforme structuur; ze zijn gemaakt in de vorm van vierkanten met gesneden hoeken. Daarentegen hebben polykristallijne elementen een strikt vierkante vorm.

Polykristallen worden verkregen door gesmolten silicium geleidelijk af te koelen. Deze methode is uiterst eenvoudig, daarom zijn dergelijke fotocellen ook niet duur.

Maar de productiviteit in termen van het opwekken van elektriciteit uit zonlicht overschrijdt zelden de 15%. Dit komt door de "onzuiverheid" van de verkregen siliciumwafels en hun interne structuur. Hier geldt: hoe schoner de p-laag van silicium, hoe hoger de efficiëntie van de PEC.

De zuiverheid van enkele kristallen is in dit opzicht veel hoger dan die van polykristallijne analogen. Ze zijn niet gemaakt van gesmolten, maar van een kunstmatig gegroeid heel siliciumkristal. De fotovoltaïsche conversiecoëfficiënt voor dergelijke zonnecellen bereikt al 20-22%.

In een gemeenschappelijke module worden individuele fotocellen gemonteerd op een aluminium frame en om ze van bovenaf te beschermen, worden ze gesloten met duurzaam glas, dat helemaal geen zonlicht hindert

De bovenste laag van de zonnecelplaat die naar de zon is gericht, is gemaakt van hetzelfde silicium, maar met toevoeging van fosfor. Dit laatste zal de bron zijn van overtollige elektronen in het pn-junctiesysteem.

Een echte doorbraak in het gebruik van zonne-energie was de ontwikkeling van flexibele panelen met amorf fotovoltaïsch silicium:

Het principe van het zonnepaneel

Wanneer zonlicht op een fotocel valt, worden daarin niet-evenwichtige elektron-gatparen gegenereerd. Overtollige elektronen en "gaten" worden gedeeltelijk overgedragen door de pn-overgang van de ene halfgeleiderlaag naar de andere.

Als gevolg hiervan verschijnt er spanning in het externe circuit. In dit geval wordt een positieve pool van de stroombron gevormd bij het contact van de p-laag en een negatieve pool bij de n-laag.

Het potentiaalverschil (spanning) tussen de contacten van de fotocel verschijnt als gevolg van een verandering in het aantal "gaten" en elektronen van verschillende kanten van de pn-overgang als gevolg van bestraling van de n-laag door zonnestralen

De fotocellen die in de vorm van een batterij op een externe belasting zijn aangesloten, vormen daarmee een vicieuze cirkel. Hierdoor werkt het zonnepaneel als een soort wiel waarlangs elektronen samen met eiwitten “lopen”. En de oplaadbare batterij wint geleidelijk aan lading.

Standaard fotovoltaïsche cellen van silicium zijn cellen met enkele junctie. De overdracht van elektronen daarin vindt alleen plaats via één p-n-overgang met een zone van deze overgang beperkt in fotonenergie.

Dat wil zeggen dat elke dergelijke fotocel alleen elektriciteit kan opwekken uit een smal spectrum van zonnestraling. Alle andere energie wordt verspild. Daarom is het rendement van zonnecellen zo laag.

Om de efficiëntie van zonnecellen te vergroten, zijn recentelijk siliciumhalfgeleiderelementen voor hen gemaakt met meerdere verbindingen (cascade). Er zijn al verschillende overgangen in de nieuwe FEP. Bovendien is elk van deze cascade ontworpen voor zijn eigen spectrum van zonlicht.

Het totale rendement van de omzetting van fotonen in elektrische stroom in dergelijke fotocellen neemt uiteindelijk toe. Maar hun prijs is veel hoger. Hier, ofwel productiegemak met lage kosten en lage efficiëntie, of hogere opbrengsten in combinatie met hoge kosten.

De zonnebatterij kan zowel in de zomer als in de winter werken (hij heeft licht nodig, geen warmte) - hoe minder bewolking en de zon helderder schijnt, hoe meer het zonnepaneel een elektrische stroom zal genereren

Tijdens bedrijf worden de fotocel en de hele batterij geleidelijk warm. Alle energie die niet naar de opwekking van elektrische stroom is gegaan, wordt omgezet in warmte. Vaak stijgt de temperatuur op het oppervlak van het heliopanel tot 50-55 ° С. Maar hoe hoger deze is, hoe minder efficiënt de fotovoltaïsche cel werkt.

Hierdoor genereert hetzelfde model van een zonnebatterij minder warmte bij warmte dan bij koud weer. Fotocellen tonen maximale efficiëntie op een heldere winterdag. Twee factoren zijn hierop van invloed: veel zon en natuurlijke afkoeling.

Bovendien, als er sneeuw op het paneel valt, zal het hoe dan ook elektriciteit blijven opwekken. Bovendien hebben sneeuwvlokken niet eens de tijd om erop te gaan liggen, gesmolten door de hitte van verwarmde fotocellen.

Zonne-energie-efficiëntie

Zelfs bij helder weer geeft één fotocel zelfs 's middags nogal wat elektriciteit af, alleen genoeg om de LED-zaklamp te laten werken.

Om het uitgangsvermogen te vergroten, worden verschillende zonnecellen gecombineerd in een parallel circuit om de gelijkspanning te verhogen en in serie om de stroomsterkte te vergroten.

De effectiviteit van zonnepanelen hangt af van:

• luchttemperatuur en de batterij zelf;
• de juiste keuze van belastingsweerstand;
• invalshoek van zonlicht;
• aanwezigheid / afwezigheid van antireflectiecoating;
• kracht van een lichte stroom.

Hoe lager de buitentemperatuur, hoe efficiënter de fotocellen en de zonnebatterij als geheel. Alles is hier eenvoudig. Maar met de berekening van de belasting is de situatie ingewikkelder. Het moet worden geselecteerd op basis van de stroom die door het paneel wordt gegenereerd. Maar de waarde varieert afhankelijk van weersfactoren.

Heliopanels worden vervaardigd met een uitgangsspanningsveelvoud van 12 V - als 24 V moet worden geleverd aan de batterij, moeten er twee panelen parallel op worden aangesloten

Het is problematisch om constant de parameters van de zonnebatterij te bewaken en de werking ervan handmatig aan te passen. Het is beter te gebruiken controle controller, die automatisch de instellingen van het zonnepaneel zelf aanpast om er maximale prestaties en optimale bedrijfsmodi uit te halen.

De ideale invalshoek van de zonnestralen op de zonnecel is recht. Als de afwijking echter binnen 30 graden van de loodlijn ligt, daalt het rendement van het paneel slechts met ongeveer 5%. Maar met een verdere vergroting van deze hoek zal een toenemend deel van de zonnestraling worden gereflecteerd, waardoor het rendement van de zonnecellen wordt verminderd.

Als de batterij in de zomer een maximum aan energie moet geven, dan moet hij loodrecht op de gemiddelde stand van de zon staan, die hij inneemt op de dagen van de equinox in de lente en de herfst.

Voor de regio Moskou is het ongeveer 40-45 graden naar de horizon. Als het maximum in de winter nodig is, moet het paneel in een meer verticale positie worden geplaatst.

En nog een ding: stof en vuil verminderen de prestaties van zonnecellen aanzienlijk. Fotonen via zo'n "vuile" barrière bereiken ze simpelweg niet, wat betekent dat er niets is om te zetten in elektriciteit. Panelen moeten regelmatig worden gewassen of zo worden geplaatst dat het stof vanzelf door de regen wordt afgewassen.

Sommige zonnecellen hebben ingebouwde lenzen om straling op de zonnecellen te concentreren. Bij helder weer leidt dit tot meer efficiëntie. Bij zware bewolking doen deze lenzen echter alleen maar kwaad.

Als een conventioneel paneel in een dergelijke situatie stroom blijft genereren, zij het in kleinere volumes, stopt het lensmodel bijna volledig met werken.

Idealiter moet de zon van een zonnecelbatterij gelijkmatig worden verlicht. Als een van de secties donker wordt, verandert de onverlichte PEC in een parasitaire belasting. Ze genereren niet alleen in deze situatie geen energie, maar halen het ook uit de werkende elementen.

De panelen moeten zo worden geïnstalleerd dat er geen bomen, gebouwen of andere obstakels in het pad van de zonnestralen zijn.

Stroomschema van het huis tegen de zon

Het zonne-energiesysteem omvat:

1. Zonnepanelen.
2. Controller
3. Batterijen.
4. Omvormer (transformator).

De controller in dit circuit beschermt zowel zonnepanelen als batterijen. Enerzijds voorkomt het dat tegenstromen 's nachts en bij bewolkt weer stromen, en anderzijds beschermt het accu's tegen overmatig opladen / ontladen.

Batterijen voor zonnepanelen moeten hetzelfde worden gekozen in leeftijd en capaciteit, anders zal het laden / ontladen ongelijkmatig verlopen, wat zal leiden tot een sterke verkorting van hun levensduur

Om een ​​gelijkstroom van 12, 24 of 48 volt om te zetten in wisselende 220 volt omvormer. Autobatterijen worden niet aanbevolen voor gebruik in een dergelijk circuit omdat ze niet bestand zijn tegen veelvuldig opladen. Het is het beste om geld uit te geven en speciale helium AGM of geleide OPzS-batterijen te kopen.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Werkingsprincipes en zonnepanelen niet te ingewikkeld om te begrijpen. En met het videomateriaal dat we hieronder hebben verzameld, wordt het nog gemakkelijker om alle fijne kneepjes van het functioneren en de installatie van zonnepanelen te begrijpen.

Het is toegankelijk en begrijpelijk hoe de fotovoltaïsche zonnebatterij werkt, in alle details:

Zie de volgende video over hoe zonnepanelen zijn gerangschikt:

DIY-montage van een zonnepaneel van fotocellen:

Elk item erin zonne-energiesysteem het huisje moet vakkundig worden geselecteerd. Onvermijdelijk vermogensverlies treedt op bij batterijen, transformatoren en de controller. En ze moeten tot een minimum worden beperkt, anders wordt het voldoende lage rendement van zonnepanelen in het algemeen tot nul teruggebracht.

Tijdens de studie van het materiaal waren er vragen? Of weet u waardevolle informatie over het onderwerp van het artikel en kunt u deze aan onze lezers vertellen? Laat uw opmerkingen achter in het onderstaande vak.