Načelo delovanja sončne baterije: kako solarna plošča deluje in deluje

Učinkovito pretvarjanje prostih sončnih žarkov v energijo, ki jo je mogoče uporabiti za napajanje domov in drugih objektov, so cenjene sanje mnogih zagovornikov zelene energije.

Toda načelo delovanja sončne baterije in njena učinkovitost sta takšna, da o visoki učinkovitosti takšnih sistemov še ni treba govoriti. Lepo bi bilo imeti svoj dodatni vir električne energije. Ali ni? Še več, še danes se v Rusiji s pomočjo sončnih kolektorjev veliko število zasebnih gospodinjstev uspešno oskrbuje z »brezplačno« elektriko. Še vedno ne veste, kje začeti?

Spodaj vam bomo povedali o zasnovi in ​​principih delovanja sončne celice, izvedeli boste, od česa je odvisna učinkovitost solarnega sistema. In videoposnetki, objavljeni v članku, vam bodo pomagali sestaviti sončno ploščo iz fotocelic z lastnimi rokami.

Solarni paneli: terminologija

Na temo "sončna energija" je precej nians in zmede. Začetnikom je na začetku pogosto težko razumeti vse neznane pojme. Toda brez tega se je nesmiselno ukvarjati s sončno energijo in kupovati opremo za ustvarjanje "sončnega" toka.

Nevede lahko ne le izberete napačno ploščo, ampak jo pri priključitvi preprosto zažgete ali iz nje izvlečete premalo energije.

Najprej morate razumeti obstoječe vrste opreme za sončno energijo. Sončni kolektorji in sončni kolektorji so dve bistveno različni napravi. Oba pretvarjata energijo sončnih žarkov.

Vendar pa v prvem primeru potrošnik prejme električno energijo na izhodu, v drugem pa toplotno energijo v obliki ogrevanega hladilnega sredstva, tj. uporabljajo sončne celice ogrevanje doma.

Največji donos solarne plošče lahko dosežemo le, če poznamo, kako deluje, iz katerih komponent in sklopov je sestavljena ter kako je vse pravilno povezano

Drugi odtenek je koncept izraza "sončna baterija". Običajno se beseda "baterija" nanaša na nekakšno napravo za shranjevanje električne energije. Ali pa pride na misel banalen grelni radiator. Vendar pa je v primeru sončnih baterij situacija bistveno drugačna. V sebi ne kopičijo ničesar.

Sončna plošča ustvarja stalen električni tok. Če ga želite pretvoriti v spremenljivko (ki se uporablja v vsakdanjem življenju), mora biti v vezju prisoten pretvornik

Sončne plošče so zasnovane izključno za ustvarjanje električnega toka. Ta pa se za oskrbo hiše z elektriko ponoči, ko sonce zaide za obzorje, akumulira že v baterijah, ki so dodatno prisotne v napajalnem krogu objekta.

Baterija je tukaj mišljena v kontekstu določenega niza podobnih komponent, sestavljenih v eno samo celoto. Pravzaprav je le plošča več enakih fotocelic.

Notranja struktura sončne baterije

Postopoma postajajo sončni kolektorji cenejši in učinkovitejši.Zdaj se uporabljajo za polnjenje baterij v uličnih svetilkah, pametnih telefonih, električnih avtomobilih, zasebnih domovih in na satelitih v vesolju. Začeli so celo graditi polnopravne sončne elektrarne (SPE) z velikimi količinami proizvodnje.

Sončna baterija je sestavljena iz številnih fotocelic (fotoelektričnih pretvornikov), ki pretvarjajo energijo fotonov sonca v električno energijo.

Vsaka sončna baterija je zasnovana kot blok določenega števila modulov, ki združujejo zaporedno povezane polprevodniške fotocelice. Da bi razumeli načela delovanja takšne baterije, je treba razumeti delovanje te končne povezave v napravi sončne plošče, ustvarjene na osnovi polprevodnikov.

Vrste kristalov fotocelic

Obstaja ogromno možnosti FEP iz različnih kemičnih elementov. Vendar je večina od njih razvoj v začetnih fazah. Zaenkrat se v industrijskem obsegu proizvajajo samo plošče iz fotovoltaičnih celic na osnovi silicija.

Silicijeve polprevodnike uporabljamo pri izdelavi sončnih celic zaradi nizkih stroškov, ne morejo se pohvaliti s posebej visokim izkoristkom

Tipična fotocelica v solarni plošči je tanka rezina iz dveh plasti silicija, od katerih ima vsaka svoje fizikalne lastnosti. To je klasični polprevodniški p-n spoj s pari elektron-luknja.

Ko fotoni zadenejo fotovoltaično celico med temi polprevodniškimi plastmi, se zaradi nehomogenosti kristala tvori foto-EMF vrat, kar povzroči potencialno razliko in elektronski tok.

Silicijeve ploščice sončnih celic se po tehnologiji izdelave razlikujejo na:

1. Monokristalni.
2. Polikristalni.

Prvi imajo večjo učinkovitost, vendar so stroški njihove proizvodnje višji od stroškov slednjih. Navzven lahko eno možnost ločimo od druge na solarni plošči po obliki.

Monokristalne sončne celice imajo homogeno strukturo, izdelane so v obliki kvadratov z odrezanimi vogali. V nasprotju s tem imajo polikristalni elementi strogo kvadratno obliko.

Polikristale dobimo s postopnim ohlajanjem staljenega silicija. Ta metoda je izjemno enostavna, zato so takšne fotocelice poceni.

Toda njihova produktivnost pri pridobivanju električne energije iz sončnih žarkov redko presega 15%. To je posledica "nečistoče" nastalih silicijevih rezin in njihove notranje strukture. Tukaj je čistejši sloj p-silicija, večja je učinkovitost sončne celice iz njega.

Čistost monokristalov je v tem pogledu veliko višja kot pri polikristalnih analogih. Niso narejeni iz staljenega, temveč iz umetno vzgojenega trdnega silicijevega kristala. Koeficient fotoelektrične pretvorbe takih sončnih celic že dosega 20-22%.

Posamezne fotocelice so sestavljene v skupni modul na aluminijastem okvirju, za zaščito pa so na vrhu prekrite s trpežnim steklom, ki nikakor ne ovira sončnih žarkov

Zgornja plast plošče fotocelice, ki je obrnjena proti soncu, je izdelana iz istega silicija, vendar z dodatkom fosforja. Prav slednji bo vir odvečnih elektronov v sistemu pn spoja.

Pravi preboj na področju sončne energije je bil razvoj fleksibilnih panelov z amorfnim fotovoltaičnim silicijem:

Načelo delovanja solarne plošče

Ko sončna svetloba pade na fotocelico, se v njej ustvarijo neravnovesni pari elektron-luknja. Odvečni elektroni in luknje se delno prenesejo skozi pn spoj iz ene plasti polprevodnika v drugo.

Posledično se v zunanjem tokokrogu pojavi napetost. V tem primeru se na stiku p-sloja tvori pozitivni pol tokovnega vira, na n-sloju pa negativni pol.

Potencialna razlika (napetost) med kontakti fotocelice se pojavi zaradi spremembe števila "lukenj" in elektronov na različnih straneh p-n spoja kot posledica obsevanja n-plasti s sončnimi žarki.

Fotocelice, povezane z zunanjim bremenom v obliki baterije, tvorijo z njim začaran krog. Kot rezultat, sončna plošča deluje kot nekakšno kolo, po katerem elektroni "tečejo" skupaj med beljakovinami. In baterija se postopoma polni.

Standardni silicijevi fotovoltaični pretvorniki so celice z enim stikom.Pretok elektronov vanje poteka le skozi en p-n spoj z območjem tega prehoda, omejenim z energijo fotonov.

To pomeni, da je vsaka taka fotocelica sposobna proizvajati elektriko samo iz ozkega spektra sončnega sevanja. Vsa druga energija je izgubljena. Zato je učinkovitost FEP tako nizka.

Da bi povečali učinkovitost sončnih celic, so silicijeve polprevodniške elemente zanje pred kratkim začeli izdelovati večspojni (kaskadni). V novih sončnih celicah je že več prehodov. Poleg tega je vsak od njih v tej kaskadi zasnovan za svoj spekter sončne svetlobe.

Celotna učinkovitost pretvorbe fotonov v električni tok se pri takšnih fotocelicah na koncu poveča. Toda njihova cena je veliko višja. Tu je bodisi enostavna izdelava z nizkimi stroški in nizko učinkovitostjo bodisi višji donosi skupaj z visokimi stroški.

Sončna plošča lahko deluje tako poleti kot pozimi (potrebuje svetlobo, ne toplote) – manj ko je oblačno in močneje ko sije sonce, več električnega toka bo proizvedla sončna celica

Med delovanjem se fotocelica in celotna baterija postopoma segrevata. Vsa energija, ki ni bila porabljena za ustvarjanje električnega toka, se pretvori v toploto. Pogosto se temperatura na površini solarne plošče dvigne na 50–55 °C. Toda višja kot je, manj učinkovito deluje fotovoltaična celica.

Posledično isti model sončne baterije proizvaja manj toka v vročem vremenu kot v hladnem. Fotocelice kažejo največjo učinkovitost na jasen zimski dan. Tu igrata dva dejavnika – veliko sonca in naravna ohladitev.

Še več, če na ploščo pade sneg, bo še naprej proizvajala elektriko.Poleg tega snežinke sploh ne bodo imele časa, da bi veliko ležale na njem, saj se bodo stopile od toplote segretih fotocelic.

Učinkovitost sončne baterije

Ena fotocelica tudi opoldne ob jasnem vremenu proizvede zelo malo elektrike, zadostuje le za delovanje LED svetilke.

Za povečanje izhodne moči je več sončnih celic združenih v vzporedno vezje za povečanje enosmerne napetosti in v zaporedno vezje za povečanje toka.

Učinkovitost sončnih kolektorjev je odvisna od:

• temperatura zraka in same baterije;
• pravilna izbira odpornosti na obremenitev;
• vpadni kot sončne svetlobe;
• prisotnost/odsotnost antirefleksnega premaza;
• moč svetlobnega toka.

Nižja kot je zunanja temperatura, bolj učinkovito delujejo fotocelice in sončna baterija kot celota. Tukaj je vse preprosto. Toda pri izračunu obremenitve je situacija bolj zapletena. Izbrati ga je treba glede na tok, ki ga zagotavlja plošča. Toda njegova vrednost se razlikuje glede na vremenske dejavnike.

Solarni paneli se proizvajajo z izhodno napetostjo, ki je večkratnik 12 V – če je treba akumulatorju napajati 24 V, je treba nanj vzporedno priključiti dva panela

Nenehno spremljanje parametrov sončne baterije in ročno prilagajanje njenega delovanja je problematično. Za to je bolje uporabiti nadzorni krmilnik, ki samodejno prilagodi nastavitve solarne plošče, da doseže največjo zmogljivost in optimalne načine delovanja.

Idealni vpadni kot sončnih žarkov na sončno baterijo je ravno. Če pa je odstopanje znotraj 30 stopinj od navpičnice, učinkovitost plošče pade le za približno 5 %.Toda z nadaljnjim povečevanjem tega kota se bo vse večji delež sončnega sevanja odbijal, s čimer se bo zmanjšala učinkovitost sončne celice.

Če želimo, da baterija proizvede največjo količino energije poleti, naj bo usmerjena pravokotno na povprečni položaj Sonca, ki ga zaseda ob enakonočjih spomladi in jeseni.

Za moskovsko regijo je to približno 40–45 stopinj glede na obzorje. Če je pozimi potreben maksimum, je treba ploščo postaviti v bolj navpični položaj.

In še nekaj - prah in umazanija močno zmanjšata delovanje fotocelic. Fotoni jih preprosto ne dosežejo skozi tako »umazano« oviro, kar pomeni, da se nima kaj pretvoriti v elektriko. Plošče je treba redno prati ali postaviti tako, da dež sam od sebe spere prah.

Nekatere sončne celice imajo vgrajene leče za koncentriranje sevanja na sončno celico. V jasnem vremenu to poveča učinkovitost. V močni oblačnosti pa te leče povzročajo samo škodo.

Če običajna plošča v takšni situaciji še naprej ustvarja tok, čeprav v manjših količinah, bo model leče skoraj popolnoma prenehal delovati.

Idealno bi bilo, da sonce enakomerno osvetljuje baterijo fotocelic. Če se izkaže, da je eden od njegovih odsekov zatemnjen, se neosvetljene sončne celice spremenijo v parazitsko obremenitev. Ne samo, da v takšni situaciji ne ustvarjajo energije, ampak jo tudi odvzamejo delovnim elementom.

Paneli morajo biti nameščeni tako, da na poti sončnih žarkov ni dreves, zgradb ali drugih ovir.

Shema hišnega sončnega napajanja

Sistem sončne energije vključuje:

1. Sončni kolektorji.
2. Krmilnik.
3. Baterije.
4. Inverter (transformator).

Krmilnik v tem vezju ščiti sončne celice in baterije. Po eni strani preprečuje pretok povratnih tokov ponoči in v oblačnem vremenu, po drugi strani pa ščiti baterije pred čezmernim polnjenjem/praznjenjem.

Akumulatorske baterije za sončne celice je treba izbrati enako glede na starost in zmogljivost, sicer bo polnjenje / praznjenje potekalo neenakomerno, kar bo povzročilo močno zmanjšanje njihove življenjske dobe

Za pretvorbo enosmernega toka 12, 24 ali 48 voltov v izmenični tok 220 voltov potrebujete pretvornik. Avtomobilske baterije niso priporočljive za uporabo v takem tokokrogu, ker ne morejo prenesti pogostega polnjenja. Najbolje je porabiti denar in kupiti posebne helijeve AGM ali napolnjene baterije OPzS.

Zaključki in uporaben video na to temo

Načela delovanja in diagrami povezave sončnih kolektorjev ni preveč težko razumeti. In z video gradivi, ki smo jih zbrali spodaj, bo še lažje razumeti vse zapletenosti delovanja in namestitve sončnih kolektorjev.

Dostopno in razumljivo je delovanje fotovoltaične sončne baterije v vseh podrobnostih:

Oglejte si, kako delujejo solarni paneli v naslednjem videu:

DIY sestavljanje sončne plošče iz fotocelic:

Vsak element v sistem sončne energije koča mora biti pravilno izbrana. V baterijah, transformatorjih in krmilniku pride do neizogibnih izgub moči. In jih je treba zmanjšati na minimum, sicer se bo že tako nizka učinkovitost sončnih kolektorjev zmanjšala na nič.

Ste imeli med preučevanjem gradiva kakšna vprašanja? Ali pa poznate dragocene informacije o temi članka in jih lahko delite z našimi bralci? Prosimo, pustite svoje komentarje v spodnjem bloku.