Zasada działania baterii słonecznej: sposób, w jaki panel słoneczny jest ułożony i działa

Skuteczna konwersja darmowych promieni słonecznych w energię, która może być wykorzystana do zasilania budynków mieszkalnych i innych obiektów, jest spełnionym marzeniem wielu apologetów zielonej energii.

Ale zasada działania baterii słonecznej i jej wydajność są takie, że nie trzeba mówić o wysokiej wydajności takich systemów. Byłoby miło mieć własne dodatkowe źródło energii elektrycznej. Tak? Co więcej, nawet dziś w Rosji za pomocą paneli słonecznych znaczna liczba prywatnych gospodarstw domowych jest z powodzeniem zaopatrywana w „darmową” energię elektryczną. Nadal nie wiesz od czego zacząć?

Poniżej opowiemy o urządzeniu i zasadach działania panelu słonecznego, dowiesz się, od czego zależy wydajność układu słonecznego. A filmy zamieszczone w tym artykule pomogą osobiście zmontować panel słoneczny z fotokomórek.

Panele słoneczne: terminologia

W temacie „energii słonecznej” jest wiele niuansów i zamieszania. Początkowo początkującym często trudno jest zrozumieć wszystkie nieznane terminy. Ale bez tego angażowanie się w energię słoneczną, nabywanie sprzętu do generowania prądu „słonecznego” jest nieuzasadnione.

Nieświadomie możesz nie tylko wybrać niewłaściwy panel, ale po prostu go spalić po podłączeniu lub wydobyć z niego zbyt mało energii.

Najpierw musisz zrozumieć istniejące odmiany urządzeń do energii słonecznej. Panele słoneczne i kolektory słoneczne to dwa zasadniczo różne urządzenia. Oba przekształcają energię promieni słonecznych.

Jednak w pierwszym przypadku konsument otrzymuje energię elektryczną na wylocie, aw drugim przypadku energię cieplną w postaci podgrzanego chłodziwa, tj. stosowane są panele słoneczne ogrzewanie domu.

Maksymalny zwrot z panelu słonecznego można uzyskać tylko wiedząc, jak to działa, z jakich komponentów i komponentów składa się i jak wszystko łączy się poprawnie

Drugi niuans to sama koncepcja terminu „bateria słoneczna”. Zazwyczaj słowo „bateria” odnosi się do pewnego rodzaju urządzenia do magazynowania energii. Albo przychodzi na myśl banalna chłodnica. Jednak w przypadku baterii słonecznych sytuacja jest radykalnie inna. Nie gromadzą niczego w sobie.

Panel słoneczny wytwarza stały prąd elektryczny. Aby przekształcić go w zmienną (używaną w życiu codziennym), w obwodzie musi znajdować się falownik

Panele słoneczne są przeznaczone wyłącznie do generowania prądu elektrycznego. To z kolei gromadzi się, aby zasilać dom elektrycznością w nocy, gdy słońce zachodzi nad horyzontem, już w bateriach obecnych oprócz schematu zasilania obiektu.

Akumulator tutaj jest implikowany w kontekście pewnej kombinacji elementów tego samego rodzaju połączonych w jedną całość. W rzeczywistości jest to tylko panel kilku identycznych fotokomórek.

Wewnętrzna struktura ogniwa słonecznego

Stopniowo panele słoneczne stają się coraz tańsze i wydajniejsze. Teraz służą do ładowania akumulatorów w latarniach ulicznych, smartfonach, samochodach elektrycznych, domach prywatnych i satelitach w kosmosie. Spośród nich zaczęli nawet budować pełnoprawne elektrownie słoneczne (SES) o dużej mocy wytwórczej.

Bateria słoneczna składa się z wielu fotokomórek (konwerterów fotowoltaicznych ogniw fotowoltaicznych), które przekształcają energię fotonów ze słońca w elektryczność

Każda bateria słoneczna jest ułożona jako blok n-tej liczby modułów, które łączą się w szeregowe fotokomórki półprzewodnikowe. Aby zrozumieć zasady działania takiego akumulatora, konieczne jest zrozumienie działania tego końcowego ogniwa w urządzeniu panelu słonecznego utworzonym na podstawie półprzewodników.

Rodzaje kryształów fotokomórek

Istnieje wiele opcji ogniw słonecznych z różnych pierwiastków chemicznych. Jednak większość z nich jest opracowywana na początkowych etapach. Do tej pory tylko panele wykonane z krzemowych ogniw słonecznych są obecnie produkowane na skalę przemysłową.

Półprzewodniki silikonowe są stosowane do produkcji ogniw słonecznych, ze względu na ich niski koszt, nie mogą się pochwalić szczególnie wysoką wydajnością

Wspólnym ogniwem słonecznym w panelu słonecznym jest cienka płyta z dwóch warstw krzemu, z których każda ma swoje właściwości fizyczne. Jest to klasyczne połączenie półprzewodników pn z parami elektron-dziura.

Gdy fotony uderzą w PEC między tymi warstwami półprzewodnika z powodu niejednorodności kryształu, powstaje bramkowy foto-emf, co powoduje różnicę potencjałów i prąd elektronowy.

Krzemowe płytki ogniw słonecznych różnią się technologią wytwarzania dla:

1. Monokrystaliczny.
2. Polikrystaliczny.

Te pierwsze mają wyższą wydajność, ale koszt ich produkcji jest wyższy niż koszt drugiego. Zewnętrznie jedną opcję od drugiej na panelu słonecznym można rozróżnić po kształcie.

Jednokrystaliczne PEC mają jednolitą strukturę; są wykonane w postaci kwadratów z wyciętymi narożnikami. Natomiast elementy polikrystaliczne mają ściśle kwadratowy kształt.

Polikryształy otrzymuje się przez stopniowe chłodzenie stopionego krzemu. Ta metoda jest niezwykle prosta, dlatego takie fotokomórki są również niedrogie.

Jednak produktywność pod względem wytwarzania energii elektrycznej ze światła słonecznego rzadko przekracza 15%. Wynika to z „zanieczyszczenia” otrzymanych płytek krzemowych i ich wewnętrznej struktury. Tutaj, im czystsza jest warstwa p krzemu, tym wyższa jest wydajność PEC.

Czystość pojedynczych kryształów pod tym względem jest znacznie wyższa niż w przypadku analogów polikrystalicznych. Nie są one wykonane ze stopionego, ale ze sztucznie hodowanego całego kryształu krzemu. Współczynnik konwersji fotowoltaicznej dla takich ogniw słonecznych osiąga już 20–22%.

We wspólnym module poszczególne fotokomórki są montowane na aluminiowej ramie, a aby chronić je od góry, są zamknięte trwałym szkłem, które w ogóle nie zakłóca światła słonecznego

Górna warstwa płyty ogniwa słonecznego skierowana w stronę słońca jest wykonana z tego samego krzemu, ale z dodatkiem fosforu. To ten ostatni będzie źródłem nadmiaru elektronów w układzie połączeń pn.

Opracowanie elastycznych paneli z bezpostaciowym krzemem fotoelektrycznym stało się prawdziwym przełomem w dziedzinie wykorzystania energii słonecznej:

Zasada działania kolektora słonecznego

Kiedy światło słoneczne pada na fotokomórkę, powstają w niej pary nierównowagowe elektron-dziura. Nadmiar elektronów i „dziur” jest częściowo przenoszony przez złącze pn z jednej warstwy półprzewodnikowej do drugiej.

W rezultacie napięcie pojawia się w obwodzie zewnętrznym. W tym przypadku dodatni biegun źródła prądu powstaje na styku warstwy p, a biegun ujemny na warstwie n.

Różnica potencjałów (napięcie) między stykami fotokomórki pojawia się w wyniku zmiany liczby „dziur” i elektronów z różnych stron złącza p-n w wyniku napromieniowania warstwy n promieniami słonecznymi

Fotokomórki podłączone do zewnętrznego obciążenia w postaci baterii tworzą z nim błędne koło. W rezultacie panel słoneczny działa jak rodzaj koła, wzdłuż którego elektrony „biegną” razem z białkami. Akumulator stopniowo zaczyna się ładować.

Standardowe krzemowe ogniwa fotowoltaiczne to ogniwa jednozłączowe. Przeniesienie do nich elektronów zachodzi tylko przez jedno połączenie p-n ze strefą tego przejścia ograniczoną energią fotonów.

Oznacza to, że każda taka fotokomórka jest w stanie wytwarzać energię elektryczną tylko z wąskiego spektrum promieniowania słonecznego. Cała inna energia jest marnowana. Dlatego wydajność ogniw słonecznych jest tak niska.

Aby zwiększyć efektywność ogniw słonecznych, krzemowe elementy półprzewodnikowe zostały dla nich ostatnio wykonane jako wielozłącze (kaskada). W nowym FEP jest już kilka przejść. Co więcej, każda z nich w tej kaskadzie jest zaprojektowana na własne spektrum światła słonecznego.

Całkowita wydajność konwersji fotonów na prąd elektryczny w takich fotokomórkach ostatecznie wzrasta. Ale ich cena jest znacznie wyższa. Tutaj albo łatwość produkcji przy niskim koszcie i niskiej wydajności, albo wyższe zwroty w połączeniu z wysokimi kosztami.

Bateria słoneczna może pracować zarówno latem, jak i zimą (potrzebuje światła, a nie ciepła) - im mniej zachmurzenia i słońce świeci jaśniej, tym bardziej panel słoneczny będzie generować prąd elektryczny

Podczas pracy fotokomórka i cały akumulator są stopniowo podgrzewane. Cała energia, która nie została przeznaczona na wytwarzanie prądu elektrycznego, jest przekształcana w ciepło. Często temperatura na powierzchni heliopanelu wzrasta do 50–55 ° С. Ale im wyższa, tym mniej wydajne jest działanie ogniwa fotowoltaicznego.

W rezultacie ten sam model baterii słonecznej generuje mniej prądu w cieple niż w chłodne dni. Fotokomórki pokazują maksymalną wydajność w pogodny zimowy dzień. Wpływają na to dwa czynniki - dużo słońca i naturalne chłodzenie.

Ponadto, jeśli na panel spadnie śnieg, i tak będzie generował prąd. Co więcej, płatki śniegu nawet nie mają czasu się na nim położyć, stopione z gorąca ogrzanych fotokomórek.

Wydajność baterii słonecznych

Jedna fotokomórka nawet w południe przy bezdeszczowej pogodzie wytwarza dość prądu, wystarczającą do działania latarki LED.

Aby zwiększyć moc wyjściową, kilka ogniw słonecznych jest połączonych w równoległym obwodzie w celu zwiększenia napięcia prądu stałego oraz szeregowo w celu zwiększenia siły prądu.

Skuteczność paneli słonecznych zależy od:

• temperatura powietrza i sam akumulator;
• właściwy wybór rezystancji obciążenia;
• kąt padania światła słonecznego;
• obecność / brak powłoki antyrefleksyjnej;
• moc strumienia światła.

Im niższa temperatura na zewnątrz, tym wydajniejsze są fotokomórki i bateria słoneczna. Tutaj wszystko jest proste. Ale przy obliczaniu obciążenia sytuacja jest bardziej skomplikowana. Należy go wybrać na podstawie prądu generowanego przez panel. Ale jego wartość różni się w zależności od czynników pogodowych.

Dostępne są heliopanele o napięciu wyjściowym wielokrotności 12 V - jeśli do akumulatora trzeba dostarczyć 24 V, wówczas należy do niego równolegle podłączyć dwa panele

Problematyczne jest ciągłe monitorowanie parametrów akumulatora słonecznego i ręczne dostosowywanie jego działania. Lepiej jest użyć kontroler sterowania, który automatycznie dostosowuje ustawienia samego panelu słonecznego, aby uzyskać z niego maksymalną wydajność i optymalne tryby pracy.

Idealny kąt padania promieni słonecznych na ogniwo słoneczne jest prosty. Jednak gdy odchylenie jest w zakresie 30 stopni od pionu, wydajność panelu spada tylko około 5%. Ale wraz z dalszym wzrostem tego kąta odbija się coraz większa część promieniowania słonecznego, zmniejszając w ten sposób wydajność ogniw słonecznych.

Jeśli bateria jest potrzebna do uzyskania maksymalnej energii latem, powinna być ustawiona prostopadle do średniej pozycji Słońca, którą zajmuje w dni równonocy wiosną i jesienią.

W regionie moskiewskim jest około 40–45 stopni w stosunku do horyzontu. Jeśli w zimie potrzebne jest maksimum, panel należy ustawić w pozycji bardziej pionowej.

I jeszcze jedno - kurz i brud znacznie zmniejszają wydajność ogniw słonecznych. Fotony przez taką „brudną” barierę po prostu nie docierają do nich, co oznacza, że ​​nie ma nic, co można by zamienić na elektryczność. Panele należy myć regularnie lub układać w taki sposób, aby deszcz sam zmywał pył.

Niektóre ogniwa słoneczne mają wbudowane soczewki, które koncentrują promieniowanie na ogniwach słonecznych. Przy dobrej pogodzie prowadzi to do zwiększenia wydajności. Jednak przy dużym zachmurzeniu soczewki te tylko szkodzą.

Jeśli konwencjonalny panel w takiej sytuacji nadal generuje prąd, choć w mniejszych objętościach, model soczewki przestanie działać prawie całkowicie.

Idealnie słońce z ogniwa słonecznego powinno być równomiernie oświetlone. Jeśli jedna z jej sekcji okaże się zaciemniona, wówczas nieoświetlone PEC zamieniają się w pasożytniczy ładunek. Nie tylko w tej sytuacji nie wytwarzają energii, ale także pobierają ją z elementów roboczych.

Panele należy zainstalować tak, aby na drodze promieni słonecznych nie było drzew, budynków ani innych przeszkód.

Schemat zasilania domu od słońca

System energii słonecznej obejmuje:

1. Panele słoneczne.
2. Kontroler
3. Baterie.
4. Falownik (transformator).

Sterownik w tym obwodzie chroni zarówno panele słoneczne, jak i akumulatory. Z jednej strony zapobiega przepływowi prądów zwrotnych w nocy i przy pochmurnej pogodzie, az drugiej chroni akumulatory przed nadmiernym ładowaniem / rozładowaniem.

Baterie do paneli słonecznych należy dobierać tak samo pod względem wieku i pojemności, w przeciwnym razie ładowanie / rozładowywanie nastąpi nierównomiernie, co doprowadzi do gwałtownego skrócenia ich żywotności

Aby przekształcić prąd stały o wartości 12, 24 lub 48 woltów w przemienne potrzebne 220 woltów falownik. Akumulatory samochodowe nie są zalecane do stosowania w takim obwodzie, ponieważ nie są w stanie wytrzymać częstych ładowań. Najlepiej jest wydawać pieniądze i kupować specjalne helowe AGM lub żelowane baterie OPzS.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Zasady działania i panele słoneczne niezbyt skomplikowane do zrozumienia. Dzięki zebranym przez nas poniżej materiałom wideo łatwiej będzie zrozumieć wszystkie zawiłości związane z funkcjonowaniem i instalacją paneli słonecznych.

Jest dostępny i zrozumiały, jak działa fotowoltaiczna bateria słoneczna, we wszystkich szczegółach:

Jak rozmieszczone są panele słoneczne, zobacz następujący film:

Samodzielny montaż panelu słonecznego z fotokomórek:

Każdy element w system energii słonecznej domek musi być wybrany kompetentnie. Nieuniknione straty mocy występują w akumulatorach, transformatorach i sterowniku. I muszą być zredukowane do minimum, w przeciwnym razie wystarczająco niska wydajność paneli słonecznych zostanie ogólnie zredukowana do zera.

Podczas studiowania materiału pojawiły się pytania? A może znasz cenne informacje na temat tego artykułu i możesz przekazać je naszym czytelnikom? Zostaw swój komentarz w polu poniżej.