Principen för driften av ett solcellsbatteri: hur en solpanel fungerar och fungerar

Att effektivt omvandla fria solstrålar till energi som kan användas för att driva hem och andra anläggningar är den älskade drömmen för många grön energiapologeter.

Men principen för driften av solbatteriet och dess effektivitet är sådan att det inte finns något behov av att prata om den höga effektiviteten hos sådana system ännu. Det skulle vara trevligt att ha en egen extra elkälla. Är det inte? Dessutom, även idag i Ryssland, med hjälp av solpaneler, förses ett stort antal privata hushåll framgångsrikt med "gratis" el. Vet du fortfarande inte var du ska börja?

Nedan kommer vi att berätta om design och funktionsprinciper för en solpanel; du kommer att lära dig vad effektiviteten hos ett solsystem beror på. Och videorna som publiceras i artikeln hjälper dig att montera en solpanel från fotoceller med dina egna händer.

Solpaneler: terminologi

Det finns ganska många nyanser och förvirring i ämnet "solenergi". Det är ofta svårt för nybörjare att först förstå alla obekanta termer. Men utan detta är det orimligt att engagera sig i solenergi, köpa utrustning för att generera "solenergi".

Omedvetet kan du inte bara välja fel panel, utan också helt enkelt bränna den när du ansluter den eller extrahera för lite energi från den.

Först bör du förstå de befintliga typerna av utrustning för solenergi. Solpaneler och solfångare är två fundamentalt olika enheter. Båda omvandlar energin från solens strålar.

Men i det första fallet får konsumenten elektrisk energi vid utgången, och i det andra värmeenergin i form av ett uppvärmt kylmedel, d.v.s. solpaneler används för uppvärmning av hem.

Den maximala avkastningen från en solpanel kan endast erhållas genom att veta hur den fungerar, vilka komponenter och sammansättningar den består av och hur den är korrekt ansluten

Den andra nyansen är konceptet med termen "solbatteri". Vanligtvis hänvisar ordet "batteri" till någon form av elektrisk lagringsenhet. Eller en banal värmeradiator kommer att tänka på. Men när det gäller solbatterier är situationen radikalt annorlunda. De samlar inte på sig något i sig själva.

Solpanelen genererar en konstant elektrisk ström. För att konvertera den till variabel (används i vardagen) måste en växelriktare finnas i kretsen

Solpaneler är konstruerade enbart för att generera elektrisk ström. Den ackumuleras i sin tur för att förse huset med el på natten, när solen går under horisonten, redan i batterierna som dessutom finns i anläggningens energiförsörjningskrets.

Batteriet här menas i sammanhanget av en viss uppsättning liknande komponenter sammansatta till en enda helhet. I själva verket är det bara en panel av flera identiska fotoceller.

Inre struktur av ett solbatteri

Successivt blir solpaneler billigare och effektivare.De används nu för att ladda batterier i gatlyktor, smartphones, elbilar, privata hem och på satelliter i rymden. De började till och med bygga fullfjädrade solkraftverk (SPP) med stora produktionsvolymer.

Ett solbatteri består av många fotoceller (fotoelektriska omvandlare) som omvandlar energin från fotoner från solen till elektricitet

Varje solbatteri är utformat som ett block av ett visst antal moduler, som kombinerar halvledarfotoceller kopplade i serie. För att förstå principerna för driften av ett sådant batteri är det nödvändigt att förstå driften av denna sista länk i solpanelsenheten, skapad på basis av halvledare.

Typer av fotocellkristaller

Det finns ett stort antal FEP-alternativ gjorda av olika kemiska element. De flesta av dem är dock utvecklingar i inledningsskedet. Än så länge produceras för närvarande endast paneler gjorda av kiselbaserade solceller i industriell skala.

Kiselhalvledare används vid tillverkning av solceller på grund av deras låga kostnad; de kan inte skryta med särskilt hög effektivitet

En typisk fotocell i en solpanel är en tunn skiva av två lager kisel, som vart och ett har sina egna fysiska egenskaper. Detta är en klassisk halvledar-p-n-övergång med elektron-hål-par.

När fotoner träffar solcellscellen mellan dessa halvledarskikt, på grund av kristallens inhomogenitet, bildas en grindfoto-EMF, vilket resulterar i en potentialskillnad och en elektronström.

Silikonskivor av solceller skiljer sig i tillverkningsteknik till:

1. Monokristallin.
2. Polykristallin.

De förra har en högre effektivitet, men kostnaden för deras produktion är högre än för de senare. Externt kan ett alternativ särskiljas från ett annat på en solpanel genom sin form.

Monokristallina solceller har en homogen struktur, de är gjorda i form av fyrkanter med avskurna hörn. Däremot har polykristallina element en strikt kvadratisk form.

Polykristaller erhålls genom gradvis kylning av smält kisel. Denna metod är extremt enkel, varför sådana fotoceller är billiga.

Men deras produktivitet när det gäller att generera el från solstrålar överstiger sällan 15 %. Detta beror på "orenheten" hos de resulterande kiselskivorna och deras inre struktur. Här, ju renare p-kiselskiktet är, desto högre verkningsgrad har solcellen från det.

Renheten hos enkristaller i detta avseende är mycket högre än för polykristallina analoger. De är inte gjorda av smält, utan av konstgjort odlad fast kiselkristall. Den fotoelektriska omvandlingskoefficienten för sådana solceller når redan 20-22%.

Individuella fotoceller är sammansatta till en gemensam modul på en aluminiumram och för att skydda dem täcks de ovanpå med slitstarkt glas, som inte på något sätt stör solens strålar

Det översta lagret på fotocellsplattan som vetter mot solen är tillverkat av samma kisel, men med tillsats av fosfor. Det är den senare som kommer att vara källan till överskottselektroner i pn-övergångssystemet.

Ett verkligt genombrott inom solenergiområdet var utvecklingen av flexibla paneler med amorft fotovoltaiskt kisel:

Funktionsprincip för solpanel

När solljus faller på en fotocell, genereras icke-jämviktselektron-hålpar i den. Överskott av elektroner och hål överförs delvis genom pn-övergången från ett lager av halvledaren till ett annat.

Som ett resultat uppträder spänning i den externa kretsen. I detta fall bildas en positiv pol hos strömkällan vid kontakten av p-skiktet och en negativ pol vid n-skiktet.

Potentialskillnaden (spänningen) mellan fotocellens kontakter uppstår på grund av en förändring i antalet "hål" och elektroner på olika sidor av p-n-övergången som ett resultat av bestrålning av n-skiktet med solstrålar

Fotoceller kopplade till en extern belastning i form av ett batteri bildar en ond cirkel med den. Som ett resultat fungerar solpanelen som ett slags hjul längs vilket elektroner "löper" tillsammans mellan proteiner. Och batteriet laddas gradvis.

Standard fotovoltaikomvandlare av kisel är engångsceller.Flödet av elektroner in i dem sker endast genom en p-n-övergång med en zon med denna övergång begränsad i fotonenergi.

Det vill säga att varje sådan fotocell kan generera elektricitet endast från ett smalt spektrum av solstrålning. All annan energi går till spillo. Det är därför effektiviteten hos FEP är så låg.

För att öka effektiviteten hos solceller har kiselhalvledarelement för dem nyligen börjat göras multijunction (kaskad). Det finns redan flera övergångar i de nya solcellerna. Dessutom är var och en av dem i denna kaskad designad för sitt eget spektrum av solljus.

Den totala effektiviteten för att omvandla fotoner till elektrisk ström för sådana fotoceller ökar i slutändan. Men deras pris är mycket högre. Här antingen enkel tillverkning med låg kostnad och låg effektivitet, eller högre avkastning i kombination med höga kostnader.

Solpanelen kan fungera både på sommaren och vintern (den behöver ljus, inte värme) - ju mindre molnigt och ju starkare solen lyser, desto mer elektrisk ström genererar solpanelen

Under drift värms fotocellen och hela batteriet gradvis upp. All energi som inte användes för att generera elektrisk ström omvandlas till värme. Ofta stiger temperaturen på solpanelens yta till 50–55 °C. Men ju högre den är, desto mindre effektivt fungerar solcellscellen.

Som ett resultat genererar samma modell av solbatteri mindre ström i varmt väder än i kallt väder. Fotoceller visar maximal effektivitet en klar vinterdag. Det är två faktorer som spelar in här – mycket sol och naturlig kyla.

Dessutom, om snö faller på panelen, kommer den fortfarande att fortsätta att generera elektricitet.Dessutom kommer snöflingorna inte ens ha tid att ligga på det mycket, efter att ha smält från värmen från de uppvärmda fotocellerna.

Effektivitet av solbatterier

En fotocell, även vid middagstid i klart väder, producerar väldigt lite elektricitet, bara tillräckligt för att driva en LED-ficklampa.

För att öka uteffekten kombineras flera solceller i en parallellkrets för att öka likspänningen och i en seriekrets för att öka strömmen.

Effektiviteten hos solpaneler beror på:

• temperatur på luften och själva batteriet;
• korrekt val av belastningsmotstånd;
• infallsvinkel för solljus;
• närvaro/frånvaro av antireflekterande beläggning;
• ljusflödeseffekt.

Ju lägre temperatur ute är, desto effektivare fungerar fotocellerna och solbatteriet som helhet. Allt är enkelt här. Men med lastberäkning är situationen mer komplicerad. Den bör väljas baserat på den ström som panelen tillhandahåller. Men dess värde varierar beroende på väderfaktorer.

Solpaneler produceras med en utspänning som är en multipel av 12 V - om 24 V behöver tillföras batteriet måste två paneler kopplas till det parallellt

Att ständigt övervaka parametrarna för ett solbatteri och manuellt justera dess funktion är problematiskt. För detta är det bättre att använda styrenhet, som automatiskt justerar inställningarna för solpanelen för att uppnå maximal prestanda och optimala driftlägen från den.

Den ideala infallsvinkeln för solens strålar på ett solbatteri är rak. Men om avvikelsen är inom 30 grader från vinkelrät sjunker panelens effektivitet med endast cirka 5 %.Men med en ytterligare ökning av denna vinkel kommer en ökande andel av solstrålningen att reflekteras, vilket minskar solcellens effektivitet.

Om batteriet krävs för att producera maximal energi på sommaren, bör det vara orienterat vinkelrätt mot solens genomsnittliga position, som den intar på dagjämningarna på våren och hösten.

För Moskvaregionen är detta cirka 40–45 grader mot horisonten. Om det maximala behövs på vintern, bör panelen placeras i ett mer vertikalt läge.

Och en sak till - damm och smuts minskar fotocellernas prestanda avsevärt. Fotoner når dem helt enkelt inte genom en sådan "smutsig" barriär, vilket betyder att det inte finns något att omvandla till elektricitet. Panelerna ska tvättas regelbundet eller placeras så att dammet tvättas bort av regn på egen hand.

Vissa solpaneler har inbyggda linser för att koncentrera strålningen på solcellen. Vid klart väder leder detta till ökad effektivitet. Men i tunga moln orsakar dessa linser bara skada.

Om en konventionell panel i en sådan situation fortsätter att generera ström, om än i mindre volymer, kommer linsmodellen att sluta fungera nästan helt.

Solen bör helst belysa ett batteri av fotoceller jämnt. Om en av dess sektioner visar sig vara mörk, förvandlas de obelysta solcellerna till en parasitisk last. De genererar inte bara energi i en sådan situation, de tar också bort den från de arbetande elementen.

Panelerna ska monteras så att det inte finns träd, byggnader eller andra hinder i solens strålars väg.

Husets solenergiförsörjningsdiagram

Solenergisystemet inkluderar:

1. Solpaneler.
2. Kontroller.
3. Batterier.
4. Inverter (transformator).

Styrenheten i denna krets skyddar både solpaneler och batterier. Å ena sidan förhindrar den flödet av backströmmar på natten och i molnigt väder, och å andra sidan skyddar den batterierna från överdriven laddning/urladdning.

Uppladdningsbara batterier för solpaneler bör väljas lika i ålder och kapacitet, annars kommer laddning/urladdning att ske ojämnt, vilket leder till en kraftig minskning av deras livslängd

För att omvandla likström på 12, 24 eller 48 volt till växelström 220 volt behöver du inverter. Bilbatterier rekommenderas inte för användning i en sådan krets på grund av deras oförmåga att motstå frekvent laddning. Det är bäst att spendera pengar och köpa speciella helium AGM eller översvämmade OPzS-batterier.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Funktionsprinciper och anslutningsscheman för solpaneler inte alltför svårt att förstå. Och med videomaterialen som vi har samlat nedan blir det ännu lättare att förstå alla krångligheterna i funktionen och installationen av solpaneler.

Det är lättillgängligt och förståeligt hur ett solcellsbatteri fungerar, i alla dess detaljer:

Se hur solpaneler fungerar i följande video:

Gör det själv solpanelsmontage från fotoceller:

Varje element i solenergisystem stuga måste väljas rätt. Oundvikliga strömförluster uppstår i batterierna, transformatorerna och styrenheten. Och de måste reduceras till ett minimum, annars kommer den redan ganska låga effektiviteten hos solpaneler att reduceras till noll.

Hade du några frågor när du studerade materialet? Eller känner du till värdefull information om ämnet för artikeln och kan dela den med våra läsare? Lämna dina kommentarer i blocket nedan.