O princípio de operação da bateria solar: como o painel solar é organizado e funciona

A conversão efetiva dos raios livres do sol em energia que pode ser usada para alimentar habitações e outras instalações é um sonho acalentado por muitos apologistas da energia verde.

Mas o princípio de operação da bateria solar e sua eficiência são tais que a alta eficiência de tais sistemas ainda não é discutida. Seria bom ter sua própria fonte adicional de eletricidade. Certo? Além disso, ainda hoje na Rússia, com a ajuda de painéis solares, um número considerável de residências particulares é fornecido com sucesso com eletricidade "gratuita". Você ainda não sabe por onde começar?

Abaixo, falaremos sobre o dispositivo e os princípios de operação do painel solar. Você descobrirá do que depende a eficiência do sistema solar. E os vídeos publicados no artigo ajudarão a montar pessoalmente um painel solar a partir de fotocélulas.

Painéis solares: terminologia

No assunto da "energia solar", existem muitas nuances e confusão. Muitas vezes, é difícil para iniciantes entender todos os termos desconhecidos no início. Mas sem isso, o uso de energia solar, a aquisição de equipamentos para gerar corrente "solar", não é razoável.

Sem saber, você pode escolher não apenas o painel errado, mas simplesmente gravá-lo quando conectado ou extrair pouca energia dele.

Primeiro você precisa entender as variedades existentes de equipamentos para energia solar. Painéis solares e coletores solares são dois dispositivos fundamentalmente diferentes. Ambos transformam a energia dos raios do sol.

No entanto, no primeiro caso, o consumidor recebe energia elétrica na saída e, no segundo caso, a energia térmica na forma de um refrigerante aquecido, isto é, painéis solares são usados ​​para aquecimento doméstico.

O retorno máximo do painel solar pode ser obtido apenas sabendo como ele funciona, em quais componentes e componentes ele consiste e como tudo se conecta corretamente

A segunda nuance é o conceito do próprio termo "bateria solar". Normalmente, a palavra "bateria" refere-se a algum tipo de dispositivo de armazenamento de energia. Ou um radiador de aquecimento banal vem à mente. No entanto, no caso de baterias solares, a situação é radicalmente diferente. Eles não acumulam nada em si mesmos.

O painel solar gera uma corrente elétrica constante. Para convertê-lo em uma variável (usada na vida cotidiana), um inversor deve estar presente no circuito

Os painéis solares são projetados exclusivamente para gerar corrente elétrica. Por sua vez, acumula-se para fornecer eletricidade à casa à noite, quando o sol se põe no horizonte, já nas baterias presentes, além do esquema de fornecimento de energia do objeto.

A bateria aqui está implícita no contexto de uma certa combinação do mesmo tipo de componentes montados em um único todo. De fato, este é apenas um painel de várias fotocélulas idênticas.

A estrutura interna da célula solar

Gradualmente, os painéis solares estão se tornando mais baratos e mais eficientes. Agora eles são usados ​​para recarregar baterias em postes, smartphones, carros elétricos, casas particulares e satélites no espaço. Destes, eles começaram a construir usinas de energia solar (SES) com grandes volumes de geração.

A bateria solar consiste em muitas células fotoelétricas (conversores fotovoltaicos de células fotovoltaicas) que convertem a energia dos fótons do sol em eletricidade

Cada bateria solar é organizada como um bloco de enésimo número de módulos que combinam em fotocélulas semicondutoras em série. Para entender os princípios de operação dessa bateria, é necessário entender a operação desse link final no dispositivo do painel solar criado com base em semicondutores.

Tipos de cristais de fotocélulas

Existem muitas opções para células solares de diferentes elementos químicos. No entanto, a maioria deles é desenvolvida nos estágios iniciais. Até agora, apenas painéis fabricados com células solares à base de silício estão sendo produzidos em escala industrial.

Os semicondutores de silício são usados ​​na fabricação de células solares devido ao seu baixo custo, não podem se orgulhar de uma eficiência particularmente alta

Uma célula solar comum em um painel solar é uma placa fina de duas camadas de silício, cada uma com suas próprias propriedades físicas. Esta é uma junção pn clássica de semicondutores com pares de elétrons e buracos.

Quando os fótons atingem o PEC entre essas camadas do semicondutor devido à falta de homogeneidade do cristal, uma porta-foto-fem é formada, resultando em uma diferença de potencial e em uma corrente de elétrons.

As bolachas de silício das células solares diferem na tecnologia de fabricação por:

1. Monocristalino.
2. Policristalino.

Os primeiros têm uma eficiência mais alta, mas o custo de sua produção é superior ao dos segundos. Externamente, uma opção da outra no painel solar pode ser distinguida pela forma.

Os PECs monocristalinos têm uma estrutura uniforme; são feitos em forma de quadrados com cantos cortados. Por outro lado, os elementos policristalinos têm uma forma estritamente quadrada.

Os policristais são obtidos resfriando gradualmente o silício fundido. Este método é extremamente simples, portanto, essas fotocélulas também são baratas.

Mas a produtividade em termos de geração de eletricidade a partir da luz solar raramente excede 15%. Isto é devido à “impureza” das bolachas de silício obtidas e sua estrutura interna. Aqui, quanto mais limpa a camada p de silício, maior a eficiência do PEC a partir dele.

A pureza dos cristais únicos a este respeito é muito superior à dos análogos policristalinos. Eles são feitos não de fundido, mas de um cristal de silício inteiro produzido artificialmente. O coeficiente de conversão fotovoltaica para essas células solares já chega a 20-22%.

Em um módulo comum, as fotocélulas individuais são montadas em uma moldura de alumínio e, para protegê-las de cima, são fechadas com vidro durável, que não interfere na luz solar.

A camada superior da placa de células solares voltada para o sol é feita do mesmo silício, mas com a adição de fósforo. É o último que será a fonte de excesso de elétrons no sistema de junção pn.

Uma verdadeira inovação no uso de energia solar foi o desenvolvimento de painéis flexíveis com silício fotovoltaico amorfo:

O princípio do painel solar

Quando a luz solar cai sobre uma fotocélula, pares de elétrons-buraco sem equilíbrio são gerados nela. Excesso de elétrons e "buracos" são parcialmente transferidos através da junção pn de uma camada de semicondutor para outra.

Como resultado, a tensão aparece no circuito externo. Nesse caso, um polo positivo da fonte de corrente é formado no contato da camada p e um polo negativo na camada n.

A diferença de potencial (voltagem) entre os contatos da fotocélula aparece devido a uma alteração no número de "orifícios" e elétrons de diferentes lados da junção p-n como resultado da irradiação da camada n por raios solares

As fotocélulas conectadas a uma carga externa na forma de uma bateria formam um círculo vicioso com ela. Como resultado, o painel solar funciona como uma espécie de roda ao longo da qual os elétrons "correm" junto com as proteínas. E a bateria recarregável está gradualmente ganhando carga.

As células fotovoltaicas de silício padrão são células de junção única. A transferência de elétrons para eles ocorre apenas através de uma junção p-n com uma zona dessa transição limitada em energia de fótons.

Ou seja, cada uma dessas fotocélulas é capaz de gerar eletricidade apenas a partir de um espectro estreito de radiação solar. Toda a outra energia é desperdiçada. Portanto, a eficiência das células solares é muito baixa.

Para aumentar a eficiência das células solares, os elementos semicondutores de silício para eles foram feitos recentemente em múltiplas junções (cascata). Já existem várias transições no novo FEP. Além disso, cada um deles nesta cascata é projetado para seu próprio espectro de luz solar.

A eficiência total da conversão de fótons em corrente elétrica nessas fotocélulas aumenta em última análise. Mas o preço deles é muito maior. Aqui, a facilidade de fabricação com baixo custo e baixa eficiência ou retornos mais altos combinados com alto custo.

A bateria solar pode funcionar tanto no verão quanto no inverno (precisa de luz, não de calor) - quanto menos nebulosidade e o sol brilhar mais, mais o painel solar gerará uma corrente elétrica

Durante a operação, a fotocélula e a bateria inteira esquentam gradualmente. Toda a energia que não foi gerada pela corrente elétrica é transformada em calor. Frequentemente, a temperatura na superfície do heliopanel sobe para 50-55 ° C. Mas quanto mais alto, menos eficiente a célula fotovoltaica funciona.

Como resultado, o mesmo modelo de bateria solar gera menos corrente no calor do que no tempo frio. As fotocélulas mostram eficiência máxima em um dia claro de inverno. Dois fatores afetam isso - muito sol e resfriamento natural.

Além disso, se a neve cair no painel, ela continuará gerando eletricidade de qualquer maneira. Além disso, os flocos de neve nem sequer têm tempo para deitar nele, derretidos pelo calor das fotocélulas aquecidas.

Eficiência da bateria solar

Uma fotocélula, mesmo ao meio-dia em tempo limpo, fornece bastante eletricidade, apenas o suficiente para a lanterna LED funcionar.

Para aumentar a potência de saída, várias células solares são combinadas em um circuito paralelo para aumentar a tensão DC e em série para aumentar a força da corrente.

A eficácia dos painéis solares depende de:

• temperatura do ar e a própria bateria;
• a seleção correta da resistência da carga;
• ângulo de incidência da luz solar;
• presença / ausência de revestimento anti-reflexo;
• poder de um fluxo de luz.

Quanto mais baixa a temperatura externa, mais eficientes são as fotocélulas e a bateria solar como um todo. Tudo é simples aqui. Mas com o cálculo da carga, a situação é mais complicada. Ele deve ser selecionado com base na corrente gerada pelo painel. Mas seu valor varia dependendo dos fatores climáticos.

Os painéis solares estão disponíveis com uma tensão de saída de múltiplos de 12 V - se forem necessários 24 V para a bateria, dois painéis terão que ser conectados a ela em paralelo

É problemático monitorar constantemente os parâmetros da bateria solar e ajustar manualmente sua operação. É melhor usar controlador de controle, que ajusta automaticamente as configurações do próprio painel solar para obter o máximo desempenho e os modos operacionais ideais.

O ângulo ideal de incidência dos raios solares na célula solar é reto. No entanto, quando o desvio está dentro de 30 graus da perpendicular, a eficiência do painel cai apenas em torno de 5%. Porém, com um aumento adicional nesse ângulo, uma proporção crescente de radiação solar será refletida, reduzindo assim a eficiência das células solares.

Se for necessário que a bateria forneça o máximo de energia no verão, ela deve ser orientada perpendicularmente à posição média do Sol, que ocupa nos dias do equinócio na primavera e no outono.

Para a região de Moscou, está a aproximadamente 40-45 graus do horizonte. Se o máximo for necessário no inverno, o painel deverá ser colocado em uma posição mais vertical.

E mais uma coisa - poeira e sujeira reduzem bastante o desempenho das células solares. Os fótons através de uma barreira tão "suja" simplesmente não os alcançam, o que significa que não há nada para converter em eletricidade. Os painéis devem ser lavados regularmente ou colocados para que o pó seja lavado pela chuva por conta própria.

Algumas células solares possuem lentes embutidas para concentrar a radiação nas células solares. Em tempo limpo, isso leva a maior eficiência. No entanto, com forte cobertura de nuvens, essas lentes apenas causam danos.

Se um painel convencional em tal situação continuar gerando corrente, embora em volumes menores, o modelo da lente deixará de funcionar quase completamente.

Idealmente, o sol de uma bateria de célula solar deve ser iluminado uniformemente. Se uma de suas seções estiver escurecida, o PEC apagado se transformará em uma carga parasitária. Eles não apenas nessa situação não geram energia, mas também a extraem dos elementos de trabalho.

Os painéis devem ser instalados para que não haja árvores, prédios ou outros obstáculos no caminho dos raios solares.

Esquema de energia da casa do sol

O sistema de energia solar inclui:

1. Painéis solares.
2. Controlador
3. Baterias.
4. Inversor (transformador).

O controlador neste circuito protege painéis solares e baterias. Por um lado, evita que as correntes reversas fluam à noite e em tempo nublado e, por outro lado, protege as baterias contra carga / descarga excessivas.

As baterias para painéis solares devem ser selecionadas da mesma forma em idade e capacidade; caso contrário, o carregamento / descarregamento ocorrerá de maneira desigual, o que levará a uma queda acentuada em sua vida útil

Para transformar uma corrente CC de 12, 24 ou 48 Volts em 220 volts alternados, é necessário inversor. As baterias de carro não são recomendadas para uso em tal circuito devido à sua incapacidade de suportar recargas frequentes. É melhor gastar dinheiro e comprar baterias AGM de hélio especiais ou OPzS gelatinosas.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Princípios operacionais e painéis solares não é muito complicado de entender. E com os materiais de vídeo coletados por nós abaixo, será ainda mais fácil entender todos os meandros do funcionamento e instalação dos painéis solares.

É acessível e compreensível como a bateria solar fotovoltaica funciona, com todos os detalhes:

Como os painéis solares são organizados, veja o seguinte vídeo:

Montagem DIY de um painel solar a partir de fotocélulas:

Cada item em sistema de energia solar a casa deve ser selecionada com competência. Perdas inevitáveis ​​de energia ocorrem em baterias, transformadores e no controlador. E eles devem ser reduzidos ao mínimo, caso contrário, a eficiência suficientemente baixa dos painéis solares será reduzida a zero em geral.

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