Päikesepatarei tööpõhimõte: kuidas päikesepaneel töötab ja töötab

Vabade päikesekiirte tõhus muundamine energiaks, mida saab kasutada kodude ja muude rajatiste toiteks, on paljude rohelise energia apologeedide hellitatud unistus.

Aga päikesepatarei tööpõhimõte ja kasutegur on sellised, et selliste süsteemide kõrgest kasutegurist ei maksa veel rääkida. Oleks tore omada oma lisaelektriallikat. Pole see? Veelgi enam, isegi tänapäeval varustatakse Venemaal päikesepaneelide abil märkimisväärset hulka eramajapidamisi edukalt "tasuta" elektriga. Kas te ikka ei tea, kust alustada?

Allpool räägime teile päikesepaneeli disainist ja tööpõhimõtetest, saate teada, millest sõltub päikesesüsteemi efektiivsus. Ja artiklis postitatud videod aitavad teil oma kätega fotoelementidest päikesepaneeli kokku panna.

Päikesepaneelid: terminoloogia

“Päikeseenergia” teemas on päris palju nüansse ja segadust. Algajatele on sageli raske alguses kõigist võõrastest mõistetest aru saada. Kuid ilma selleta on ebamõistlik tegeleda päikeseenergiaga, ostes "päikese" voolu genereerimiseks seadmeid.

Teadmatult saab mitte ainult vale paneeli valida, vaid ka ühendamisel selle lihtsalt põletada või sealt liiga vähe energiat ammutada.

Esiteks peaksite mõistma olemasolevaid päikeseenergia seadmete tüüpe. Päikesepaneelid ja päikesekollektorid on kaks põhimõtteliselt erinevat seadet. Mõlemad muundavad päikesekiirte energiat.

Kuid esimesel juhul saab tarbija väljundis elektrienergiat ja teisel juhul soojusenergiat kuumutatud jahutusvedeliku kujul, s.o. jaoks kasutatakse päikesepaneele kodu küte.

Päikesepaneeli maksimaalset tulu on võimalik saada ainult siis, kui tead, kuidas see töötab, millistest komponentidest ja koostudest see koosneb ning kuidas see kõik on õigesti ühendatud

Teine nüanss on mõiste "päikesepatarei" mõiste. Tavaliselt viitab sõna "aku" teatud tüüpi elektrisalvestusseadmele. Või tuleb meelde banaalne kütteradiaator. Päikesepatareide puhul on aga olukord kardinaalselt erinev. Nad ei kogune endasse midagi.

Päikesepaneel genereerib pidevat elektrivoolu. Selle muutmiseks muutuvaks (kasutatakse igapäevaelus) peab ahelas olema inverter

Päikesepaneelid on mõeldud ainult elektrivoolu genereerimiseks. See omakorda koguneb maja elektriga varustamiseks öösel, kui päike langeb horisondi alla, juba akudesse, mis on täiendavalt objekti energiavarustusahelas.

Aku on siin mõeldud teatud sarnaste komponentide komplekti kontekstis, mis on kokku pandud ühtseks tervikuks. Tegelikult on see vaid paneel mitmest identsest fotoelemendist.

Päikesepatarei sisemine struktuur

Päikesepaneelid muutuvad järk-järgult odavamaks ja tõhusamaks.Nüüd kasutatakse neid tänavavalgustite, nutitelefonide, elektriautode, eramajade ja kosmosesatelliitide akude laadimiseks. Nad hakkasid isegi ehitama suure tootmismahuga täisväärtuslikke päikeseelektrijaamu (SPP).

Päikesepatarei koosneb paljudest fotoelementidest (fotoelektrilised muundurid), mis muudavad päikese footonite energia elektriks

Iga päikesepatarei on konstrueeritud teatud arvu moodulite plokina, mis ühendab järjestikku ühendatud pooljuhtfotoelemente. Sellise aku tööpõhimõtete mõistmiseks on vaja mõista selle lõpliku lüli toimimist pooljuhtide baasil loodud päikesepaneeliseadmes.

Fotoelemendi kristallide tüübid

Erinevatest keemilistest elementidest valmistatud FEP-valikuid on tohutult palju. Enamik neist on aga algstaadiumis arendused. Seni toodetakse tööstuslikus mastaabis ainult ränipõhistest fotogalvaanilistest elementidest valmistatud paneele.

Räni pooljuhte kasutatakse päikesepatareide valmistamisel nende odavuse tõttu, eriti kõrge efektiivsusega nad kiidelda ei saa

Päikesepaneeli tüüpiline fotoelement on kahest ränikihist koosnev õhuke vahvel, millest igaühel on oma füüsikalised omadused. See on klassikaline pooljuhtide p-n ristmik elektron-augu paaridega.

Kui footonid tabavad fotogalvaanilist elementi nende pooljuhtkihtide vahel, tekib kristalli ebahomogeensuse tõttu paisfoto-EMF, mille tulemuseks on potentsiaalide erinevus ja elektronvool.

Päikesepatareide räniplaadid erinevad tootmistehnoloogia poolest järgmiselt:

1. Monokristalliline.
2. Polükristalliline.

Esimestel on suurem efektiivsus, kuid nende tootmiskulud on kõrgemad kui viimastel. Väliselt saab päikesepaneelil üht varianti teisest eristada selle kuju järgi.

Monokristallilised päikesepatareid on homogeense struktuuriga, need on valmistatud lõigatud nurkadega ruutude kujul. Seevastu polükristallilised elemendid on rangelt ruudu kujuga.

Polükristallid saadakse sula räni järkjärgulise jahutamise teel. See meetod on äärmiselt lihtne, mistõttu on sellised fotoelemendid odavad.

Kuid nende tootlikkus päikesekiirtest elektrienergia tootmisel ületab harva 15%. Selle põhjuseks on saadud räniplaatide "ebapuhtus" ja nende sisemine struktuur. Siin, mida puhtam on p-räni kiht, seda suurem on sellest pärineva päikesepatarei efektiivsus.

Üksikkristallide puhtus on selles osas palju kõrgem kui polükristallilistel analoogidel. Need on valmistatud mitte sulast, vaid kunstlikult kasvatatud tahkest ränikristallist. Selliste päikesepatareide fotoelektriline muundamise koefitsient ulatub juba 20-22%-ni.

Üksikud fotosilmad on monteeritud alumiiniumraamile ühiseks mooduliks ja nende kaitseks kaetakse pealt vastupidava klaasiga, mis ei sega kuidagi päikesekiiri.

Päikesepoolne fotoelemendiplaadi pealmine kiht on valmistatud samast ränist, kuid lisatud fosforit. Just viimane saab pn-siirdesüsteemis liigsete elektronide allikaks.

Tõeline läbimurre päikeseenergia valdkonnas oli amorfse fotogalvaanilise räniga painduvate paneelide väljatöötamine:

Päikesepaneeli tööpõhimõte

Kui päikesevalgus langeb fotoelemendile, tekivad selles mittetasakaalulised elektron-augu paarid. Üleliigsed elektronid ja augud kanduvad osaliselt läbi pn-siirde pooljuhi ühest kihist teise.

Selle tulemusena ilmub välisesse vooluringi pinge. Sel juhul moodustub p-kihi kontaktis vooluallika positiivne poolus ja n-kihis negatiivne poolus.

Potentsiaalne erinevus (pinge) fotoelemendi kontaktide vahel ilmneb p-n-siirde erinevatel külgedel olevate aukude ja elektronide arvu muutumise tõttu n-kihi päikesekiirtega kiiritamise tagajärjel.

Aku kujul väliskoormusega ühendatud fotoelemendid moodustavad sellega nõiaringi. Selle tulemusel töötab päikesepaneel omamoodi rattana, mida mööda elektronid valkude vahel “koos jooksevad”. Ja aku laeb järk-järgult.

Standardsed räni fotogalvaanilised muundurid on ühe lüliga elemendid.Elektronide vool neisse toimub ainult ühe p-n-siirde kaudu, mille footonienergiaga piiratud selle ülemineku tsoon.

See tähendab, et iga selline fotoelement on võimeline tootma elektrit ainult kitsast päikesekiirguse spektrist. Kogu muu energia läheb raisku. Seetõttu on FEP-i efektiivsus nii madal.

Päikesepatareide efektiivsuse suurendamiseks on hiljuti hakatud nende jaoks mõeldud räni pooljuhtelemente tegema multiristmiks (kaskaad). Uutes päikesepatareides on juba mitu üleminekut. Veelgi enam, igaüks neist selles kaskaadis on mõeldud oma päikesevalguse spektri jaoks.

Lõppkokkuvõttes suureneb selliste fotoelementide footonite elektrivooluks muundamise koguefektiivsus. Kuid nende hind on palju kõrgem. Siin on kas tootmise lihtsus madalate kuludega ja madala efektiivsusega või suurem tulusus koos kõrgete kuludega.

Päikesepaneel võib töötada nii suvel kui talvel (vajab valgust, mitte soojust) - mida vähem pilvine ja mida eredamalt päike paistab, seda rohkem elektrivoolu päikesepaneel genereerib

Töötamise ajal kuumenevad fotosilm ja kogu aku järk-järgult. Kogu energia, mida elektrivoolu genereerimiseks ei kasutatud, muundatakse soojuseks. Sageli tõuseb temperatuur päikesepaneeli pinnal 50–55 °C-ni. Kuid mida kõrgem see on, seda vähem tõhusalt fotogalvaaniline element töötab.

Seetõttu toodab sama mudel päikesepatarei kuuma ilmaga vähem voolu kui külma ilmaga. Fotoelemendid näitavad maksimaalset efektiivsust selgel talvepäeval. Siin on mängus kaks tegurit – palju päikest ja loomulik jahutus.

Veelgi enam, kui paneelile sajab lumi, jätkab see elektritootmist.Pealegi pole lumehelvestel aega isegi sellel palju lebada, kuna nad on kuumutatud fotoelementide kuumusest sulanud.

Päikesepatarei efektiivsus

Üks fotoelement toodab isegi keskpäeval selge ilmaga väga vähe elektrit, millest piisab vaid LED-taskulambi töötamiseks.

Väljundvõimsuse suurendamiseks kombineeritakse mitu päikesepatarei paralleelses ahelas alalispinge suurendamiseks ja jadaahelas voolu suurendamiseks.

Päikesepaneelide efektiivsus sõltub:

• õhu ja aku enda temperatuur;
• koormustakistuse õige valik;
• päikesevalguse langemisnurk;
• peegeldusvastase katte olemasolu/puudumine;
• valgusvoo võimsus.

Mida madalam on väljas temperatuur, seda tõhusamalt töötavad fotoelemendid ja päikesepatarei tervikuna. Siin on kõik lihtne. Kuid koormuse arvutamisega on olukord keerulisem. See tuleks valida paneeli voolutugevuse alusel. Kuid selle väärtus varieerub sõltuvalt ilmastikuteguritest.

Päikesepaneelid toodetakse 12 V kordse väljundpingega - kui akule on vaja anda 24 V, siis tuleb sellega paralleelselt ühendada kaks paneeli

Päikesepatarei parameetrite pidev jälgimine ja töö käsitsi reguleerimine on problemaatiline. Selleks on parem kasutada juhtkontroller, mis reguleerib automaatselt päikesepaneeli seadeid, et saavutada sellest maksimaalne jõudlus ja optimaalsed töörežiimid.

Ideaalne päikesekiirte langemisnurk päikesepatareile on sirge. Kui aga kõrvalekalle jääb perpendikulaarist 30 kraadi piiresse, langeb paneeli efektiivsus vaid umbes 5%.Kuid selle nurga edasise suurenemisega peegeldub üha suurem osa päikesekiirgusest, vähendades seeläbi päikesepatarei efektiivsust.

Kui aku peab suvel tootma maksimaalset energiat, peaks see olema orienteeritud risti Päikese keskmise asendiga, mille ta hõivab kevad- ja sügise pööripäevadel.

Moskva piirkonna jaoks on see horisondi suhtes ligikaudu 40–45 kraadi. Kui talvel on vaja maksimumi, tuleks paneel asetada vertikaalsemasse asendisse.

Ja veel üks asi – tolm ja mustus vähendavad oluliselt fotoelementide jõudlust. Footonid lihtsalt ei jõua nendeni läbi sellise "määrdunud" barjääri, mis tähendab, et elektriks pole midagi muuta. Paneele tuleb regulaarselt pesta või asetada nii, et vihm ise tolmu maha peseb.

Mõnel päikesepaneelil on sisseehitatud läätsed, mis koondavad kiirgust päikesepatareile. Selge ilmaga suurendab see efektiivsust. Kuid rasketes pilvedes põhjustavad need läätsed ainult kahju.

Kui tavaline paneel sellises olukorras jätkab voolu genereerimist, ehkki väiksemas mahus, lakkab objektiivi mudel peaaegu täielikult töötamast.

Päike peaks ideaalis valgustama fotoelementide akut ühtlaselt. Kui üks selle sektsioonidest osutub tumedaks, muutuvad valgustamata päikesepatareid parasiitkoormuseks. Nad mitte ainult ei tekita sellises olukorras energiat, vaid võtavad seda ka töötavatelt elementidelt ära.

Paneelid tuleb paigaldada nii, et päikesekiirte teele ei jääks puid, hooneid ega muid takistusi.

Maja päikeseenergia toiteskeem

Päikeseenergia toitesüsteem sisaldab:

1. Päikesepaneelid.
2. Kontroller.
3. Patareid.
4. Inverter (trafo).

Selle ahela kontroller kaitseb nii päikesepaneele kui ka akusid. Ühelt poolt takistab see pöördvoolude voolamist öösel ja pilvise ilmaga ning teisalt kaitseb akusid liigse laadimise/tühjenemise eest.

Päikesepaneelide laetavad akud tuleks valida sama vanuse ja mahuga, vastasel juhul toimub laadimine/tühjenemine ebaühtlaselt, mis toob kaasa nende kasutusea järsu vähenemise

12-, 24- või 48-voldise alalisvoolu muundamiseks 220-voldiseks vahelduvvooluks on vaja inverter. Autoakusid ei soovitata sellises vooluringis kasutada, kuna need ei talu sagedast laadimist. Parim on kulutada raha ja osta spetsiaalseid heelium AGM või üleujutatud OPzS akusid.

Järeldused ja kasulik video sellel teemal

Toimimispõhimõtted ja päikesepaneelide ühendusskeemid pole liiga raske mõista. Allpool kogutud videomaterjalide abil on veelgi lihtsam mõista kõiki päikesepaneelide toimimise ja paigaldamise keerukust.

See on ligipääsetav ja arusaadav, kuidas fotogalvaaniline päikesepatarei töötab, kõigis selle üksikasjades:

Vaadake järgmisest videost, kuidas päikesepaneelid töötavad:

DIY päikesepaneelide kokkupanek fotoelementidest:

Iga element sees päikeseenergia süsteem suvila tuleb õigesti valida. Akudes, trafodes ja kontrolleris tekivad vältimatud voolukadud. Ja need tuleb viia miinimumini, muidu langeb päikesepaneelide niigi üsna madal kasutegur nulli.

Kas teil tekkis materjali uurimisel küsimusi? Või kas teate artikli teema kohta väärtuslikku teavet ja saate seda meie lugejatega jagada? Palun jätke oma kommentaarid allolevasse plokki.