Zasada działania baterii słonecznej: jak działa i działa panel słoneczny

Skuteczne przekształcanie wolnych promieni słonecznych w energię, którą można wykorzystać do zasilania domów i innych obiektów, to marzenie wielu apologetów zielonej energii.

Ale zasada działania baterii słonecznej i jej wydajność są takie, że o wysokiej wydajności takich systemów nie trzeba jeszcze mówić. Byłoby miło mieć własne dodatkowe źródło prądu. Czyż nie? Co więcej, nawet dzisiaj 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 Ci o budowie i zasadzie działania panelu fotowoltaicznego, dowiesz się od czego zależy wydajność układu fotowoltaicznego. A filmy zamieszczone w artykule pomogą Ci zmontować panel słoneczny z fotokomórek własnymi rękami.

Panele słoneczne: terminologia

W temacie „energii słonecznej” jest sporo niuansów i zamieszania. Początkującym często na początku trudno jest zrozumieć wszystkie nieznane terminy. Ale bez tego nierozsądne jest angażowanie się w energię słoneczną, zakup sprzętu do wytwarzania prądu „słonecznego”.

Nieświadomie można nie tylko wybrać niewłaściwy panel, ale także po prostu go spalić przy podłączaniu lub wydobyć z niego zbyt mało energii.

Po pierwsze, należy zapoznać się z istniejącymi rodzajami urządzeń wykorzystujących energię słoneczną. Panele słoneczne i kolektory słoneczne to dwa zasadniczo różne urządzenia. Obydwa przetwarzają energię promieni słonecznych.

Jednak w pierwszym przypadku odbiorca otrzymuje na wyjściu energię elektryczną, a w drugim energię cieplną w postaci podgrzanego płynu chłodzącego, tj. do czego służą panele słoneczne ogrzewanie domu.

Maksymalny zwrot z panelu słonecznego można uzyskać jedynie wiedząc, jak on działa, z jakich komponentów i zespołów się składa oraz jak wszystko jest prawidłowo podłączone

Drugi niuans to koncepcja terminu „bateria słoneczna”. Zazwyczaj słowo „bateria” odnosi się do pewnego rodzaju elektrycznego urządzenia magazynującego. Lub przychodzi na myśl banalny grzejnik. Jednak w przypadku baterii słonecznych sytuacja jest diametralnie inna. Nie gromadzą niczego w sobie.

Panel słoneczny generuje stały prąd elektryczny. Aby przekonwertować go na zmienną (stosowaną w życiu codziennym), w obwodzie musi być obecny falownik

Panele słoneczne są przeznaczone wyłącznie do wytwarzania prądu elektrycznego. Ta z kolei jest gromadzona w celu zasilania domu energią elektryczną w nocy, gdy słońce chowa się za horyzontem, już w akumulatorach znajdujących się dodatkowo w obwodzie zasilania obiektu.

Bateria jest tu rozumiana w kontekście pewnego zestawu podobnych elementów połączonych w jedną całość. W rzeczywistości jest to po prostu panel kilku identycznych fotokomórek.

Budowa wewnętrzna baterii słonecznej

Stopniowo panele słoneczne stają się tańsze i wydajniejsze.Obecnie wykorzystuje się je do ładowania akumulatorów w latarniach ulicznych, smartfonach, samochodach elektrycznych, domach prywatnych i na satelitach w kosmosie. Zaczęto nawet budować pełnoprawne elektrownie słoneczne (SPP) o dużej mocy wytwórczej.

Bateria słoneczna składa się z wielu fotokomórek (przetworników fotoelektrycznych), które przekształcają energię fotonów ze słońca w energię elektryczną

Każda bateria słoneczna jest zaprojektowana jako blok określonej liczby modułów, które łączą w sobie fotokomórki półprzewodnikowe połączone szeregowo. Aby zrozumieć zasadę działania takiego akumulatora, konieczne jest zrozumienie działania tego końcowego ogniwa w urządzeniu z panelem słonecznym, zbudowanego na bazie półprzewodników.

Rodzaje kryształów fotokomórek

Istnieje ogromna liczba opcji FEP wykonanych z różnych pierwiastków chemicznych. Większość z nich to jednak rozwiązania w początkowej fazie. Dotychczas na skalę przemysłową produkowane są jedynie panele wykonane z ogniw fotowoltaicznych na bazie krzemu.

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

Typowa fotokomórka w panelu słonecznym to cienka płytka złożona z dwóch warstw krzemu, z których każda ma swoje własne właściwości fizyczne. Jest to klasyczne półprzewodnikowe złącze p-n z parami elektron-dziura.

Kiedy fotony uderzają w ogniwo fotowoltaiczne pomiędzy tymi warstwami półprzewodnika, z powodu niejednorodności kryształu, powstaje foto-EMF bramki, co powoduje różnicę potencjałów i prąd elektronowy.

Płytki krzemowe ogniw słonecznych różnią się technologią wytwarzania na:

1. Monokrystaliczny.
2. Polikrystaliczny.

Te pierwsze mają wyższą wydajność, ale koszt ich produkcji jest wyższy niż w przypadku tych drugich. Zewnętrznie jedną opcję można odróżnić od drugiej na panelu słonecznym po jej kształcie.

Monokrystaliczne ogniwa słoneczne mają jednorodną strukturę, wykonane są w formie kwadratów ze ściętymi narożnikami. Natomiast elementy polikrystaliczne mają ściśle kwadratowy kształt.

Polikryształy otrzymuje się poprzez stopniowe chłodzenie stopionego krzemu. Metoda ta jest niezwykle prosta, dlatego takie fotokomórki są niedrogie.

Jednak ich produktywność w zakresie wytwarzania energii elektrycznej z promieni słonecznych rzadko przekracza 15%. Wynika to z „zanieczyszczenia” powstałych płytek krzemowych i ich wewnętrznej struktury. Tutaj im czystsza jest warstwa p-krzemu, tym wyższa jest wydajność ogniwa słonecznego z niej.

Czystość monokryształów pod tym względem jest znacznie wyższa niż w przypadku analogów polikrystalicznych. Wykonane są nie ze stopionego, ale ze sztucznie wyhodowanego stałego kryształu krzemu. Współczynnik konwersji fotoelektrycznej takich ogniw słonecznych sięga już 20-22%.

Poszczególne fotokomórki zmontowano we wspólny moduł na aluminiowej ramie i dla ich ochrony osłonięto je od góry wytrzymałym szkłem, które w żaden sposób nie zakłóca promieni słonecznych

Górna warstwa płytki fotokomórki skierowana w stronę słońca wykonana jest z tego samego krzemu, ale z dodatkiem fosforu. To właśnie ten ostatni będzie źródłem nadmiaru elektronów w układzie złącza pn.

Prawdziwym przełomem w dziedzinie energetyki słonecznej było opracowanie elastycznych paneli z amorficznym krzemem fotowoltaicznym:

Zasada działania panelu słonecznego

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

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

Różnica potencjałów (napięć) pomiędzy stykami fotokomórki powstaje na skutek zmiany liczby „dziur” i elektronów po różnych stronach złącza p-n w wyniku napromieniowania warstwy n promieniami słonecznymi

Fotokomórki podłączone do zewnętrznego obciążenia w postaci akumulatora tworzą z nim błędne koło. W rezultacie panel słoneczny działa jak swego rodzaju koło, po którym elektrony „biegną” razem pomiędzy białkami. A bateria stopniowo się ładuje.

Standardowe krzemowe konwertery fotowoltaiczne to ogniwa jednozłączowe.Przepływ elektronów do nich następuje tylko przez jedno złącze p-n ze strefą tego przejścia ograniczoną energią fotonów.

Oznacza to, że każda taka fotokomórka jest w stanie generować prąd jedynie z wąskiego spektrum promieniowania słonecznego. Cała inna energia jest marnowana. Dlatego skuteczność FEP jest tak niska.

Aby zwiększyć wydajność ogniw słonecznych, ostatnio zaczęto do nich stosować krzemowe elementy półprzewodnikowe wielozłączowe (kaskadowe). W nowych ogniwach słonecznych doszło już do kilku zmian. Co więcej, każdy z nich w tej kaskadzie jest zaprojektowany na własne spektrum światła słonecznego.

Całkowita wydajność przetwarzania fotonów na prąd elektryczny w przypadku takich fotokomórek ostatecznie wzrasta. Ale ich cena jest znacznie wyższa. W tym przypadku albo łatwość produkcji przy niskim koszcie i niskiej wydajności, albo wyższe zyski w połączeniu z wysokimi kosztami.

Panel fotowoltaiczny może pracować zarówno latem, jak i zimą (potrzebuje światła, a nie ciepła) - im mniej zachmurzenie i jaśniej świeci słońce, tym więcej prądu wygeneruje panel fotowoltaiczny

Podczas pracy fotokomórka i cały akumulator stopniowo się nagrzewają. Cała energia, która nie została wykorzystana do wytworzenia prądu elektrycznego, zostaje zamieniona na ciepło. Często temperatura na powierzchni panelu słonecznego wzrasta do 50–55 °C. Jednak im jest on wyższy, tym mniej efektywnie działa ogniwo fotowoltaiczne.

W efekcie ten sam model baterii słonecznej generuje mniej prądu podczas upałów niż przy zimnej pogodzie. Fotokomórki wykazują maksymalną wydajność w pogodny zimowy dzień. W grę wchodzą dwa czynniki – dużo słońca i naturalne chłodzenie.

Co więcej, jeśli na panel spadnie śnieg, panel nadal będzie wytwarzał energię elektryczną.Co więcej, płatki śniegu nie będą miały nawet czasu, aby na nim położyć się, stopiwszy się pod wpływem ciepła nagrzanych fotokomórek.

Wydajność baterii słonecznych

Jedna fotokomórka, nawet w południe przy dobrej pogodzie, wytwarza bardzo mało prądu, wystarczającego jedynie do zasilania latarki LED.

Aby zwiększyć moc wyjściową, kilka ogniw słonecznych łączy się w obwód równoległy w celu zwiększenia napięcia prądu stałego oraz w obwód szeregowy w celu zwiększenia prądu.

Sprawność paneli fotowoltaicznych zależy od:

• temperatura powietrza i samego akumulatora;
• prawidłowy dobór rezystancji obciążenia;
• kąt padania światła słonecznego;
• obecność/brak powłoki antyrefleksyjnej;
• moc strumienia świetlnego.

Im niższa temperatura na zewnątrz, tym efektywniej działają fotokomórki i bateria słoneczna jako całość. Tutaj wszystko jest proste. Ale przy obliczaniu obciążenia sytuacja jest bardziej skomplikowana. Należy go dobrać w oparciu o prąd dostarczany przez panel. Ale jego wartość zmienia się w zależności od czynników pogodowych.

Panele fotowoltaiczne produkowane są z napięciem wyjściowym będącym wielokrotnością 12 V - jeśli do akumulatora trzeba będzie dostarczyć napięcie 24 V, wówczas trzeba będzie do niego podłączyć dwa panele równolegle

Ciągłe monitorowanie parametrów baterii słonecznej i ręczna regulacja jej pracy jest problematyczna. W tym celu lepiej użyć kontroler kontrolny, który automatycznie dostosowuje ustawienia panelu słonecznego, aby uzyskać z niego maksymalną wydajność i optymalne tryby pracy.

Idealny kąt padania promieni słonecznych na baterię słoneczną jest prosty. Jeśli jednak odchylenie mieści się w granicach 30 stopni od pionu, wydajność panelu spada jedynie o około 5%.Jednak wraz z dalszym zwiększaniem tego kąta odbijana będzie coraz większa część promieniowania słonecznego, zmniejszając w ten sposób wydajność ogniwa słonecznego.

Jeśli akumulator ma wytwarzać maksimum energii latem, powinien być ustawiony prostopadle do średniego położenia Słońca, które zajmuje w czasie równonocy wiosną i jesienią.

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

I jeszcze jedno - kurz i brud znacznie zmniejszają wydajność fotokomórek. Fotony po prostu nie docierają do nich przez tak „brudną” barierę, co oznacza, że ​​nie ma co zamieniać na prąd. Panele należy regularnie myć lub układać tak, aby deszcz sam zmył kurz.

Niektóre panele słoneczne mają wbudowane soczewki skupiające promieniowanie na ogniwie słonecznym. Przy dobrej pogodzie prowadzi to do zwiększenia wydajności. Jednak w ciężkich chmurach te soczewki tylko wyrządzają krzywdę.

Jeśli w takiej sytuacji konwencjonalny panel będzie nadal generował prąd, choć w mniejszych ilościach, wówczas model obiektywu przestanie prawie całkowicie działać.

Idealnie, słońce powinno równomiernie oświetlać baterię fotokomórek. Jeśli jeden z jego odcinków okaże się zaciemniony, wówczas nieoświetlone ogniwa słoneczne zamieniają się w pasożytniczy ładunek. Nie tylko nie wytwarzają w takiej sytuacji energii, ale także odbierają ją pracującym elementom.

Panele należy montować tak, aby na drodze promieni słonecznych nie znajdowały się drzewa, budynki ani inne przeszkody.

Schemat zasilania energią słoneczną domu

System zasilania energią słoneczną 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 wstecznych w nocy i przy pochmurnej pogodzie, z drugiej chroni akumulatory przed nadmiernym ładowaniem/rozładowaniem.

Akumulatory do paneli słonecznych należy wybierać w tym samym wieku i pojemności, w przeciwnym razie ładowanie/rozładowywanie będzie przebiegać nierównomiernie, co doprowadzi do gwałtownego skrócenia ich żywotności

Aby przekształcić prąd stały o napięciu 12, 24 lub 48 woltów w prąd przemienny o napięciu 220 woltów, potrzebujesz falownik. Akumulatory samochodowe nie są zalecane do stosowania w takim obwodzie ze względu na ich niezdolność do częstego ładowania. Najlepiej wydać pieniądze i kupić specjalne helowe akumulatory AGM lub zalane akumulatory OPzS.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Zasady działania i schematy podłączenia paneli słonecznych niezbyt trudne do zrozumienia. A dzięki materiałom wideo, które zebraliśmy poniżej, zrozumienie wszystkich zawiłości funkcjonowania i instalacji paneli słonecznych będzie jeszcze łatwiejsze.

W przystępny i zrozumiały sposób działa fotowoltaiczna bateria słoneczna, ze wszystkimi szczegółami:

Zobacz, jak działają panele słoneczne na poniższym filmie:

Montaż paneli słonecznych DIY z fotokomórek:

Każdy element w system zasilania energią słoneczną domek musi być wybrany prawidłowo. W bateriach, transformatorach i sterowniku występują nieuniknione straty mocy. I należy je ograniczyć do minimum, w przeciwnym razie i tak już dość niska wydajność paneli słonecznych zostanie zredukowana do zera.

Czy podczas studiowania materiału miałeś jakieś pytania? A może znasz cenne informacje na temat artykułu i możesz podzielić się nimi z naszymi czytelnikami? Prosimy o pozostawienie komentarzy w bloku poniżej.