Princíp fungovania solárnej batérie: ako solárny panel funguje a funguje

Efektívna premena voľných slnečných lúčov na energiu, ktorú možno použiť na napájanie domov a iných zariadení, je obľúbeným snom mnohých zástancov zelenej energie.

Ale princíp fungovania solárnej batérie a jej účinnosť sú také, že o vysokej účinnosti takýchto systémov zatiaľ nie je potrebné hovoriť. Bolo by fajn mať vlastný dodatočný zdroj elektriny. Nieje to? Navyše aj dnes je v Rusku s pomocou solárnych panelov značný počet súkromných domácností úspešne zásobovaný „bezplatnou“ elektrinou. Stále neviete, kde začať?

Nižšie vám povieme o konštrukcii a princípoch fungovania solárneho panelu, dozviete sa, od čoho závisí účinnosť solárneho systému. A videá uverejnené v článku vám pomôžu zostaviť solárny panel z fotobuniek vlastnými rukami.

Solárne panely: terminológia

V téme „slnečná energia“ je pomerne veľa nuancií a zmätku. Pre začiatočníkov je často na začiatku ťažké pochopiť všetky neznáme pojmy. Bez toho je však nerozumné zapojiť sa do solárnej energie a nakupovať zariadenia na výrobu „slnečného“ prúdu.

Nevedomky tak môžete nielen vybrať nesprávny panel, ale ho pri pripájaní aj jednoducho spáliť alebo z neho vytiahnuť príliš málo energie.

Najprv by ste mali pochopiť existujúce typy zariadení na solárnu energiu. Solárne panely a solárne kolektory sú dve zásadne odlišné zariadenia. Obe premieňajú energiu slnečných lúčov.

V prvom prípade však spotrebiteľ prijíma na výstupe elektrickú energiu a v druhom tepelnú energiu vo forme ohriatej chladiacej kvapaliny, t.j. solárne panely sa používajú na vykurovanie domu.

Maximálnu návratnosť solárneho panelu je možné dosiahnuť len vtedy, ak viete, ako funguje, z akých komponentov a zostáv pozostáva a ako je všetko správne pripojené.

Druhou nuansou je pojem „solárna batéria“. Slovo „batéria“ sa zvyčajne vzťahuje na nejaký druh elektrického úložného zariadenia. Alebo prichádza na rad banálny vykurovací radiátor. V prípade solárnych batérií je však situácia radikálne odlišná. Nič v sebe nehromadia.

Solárny panel generuje konštantný elektrický prúd. Na premenu na premennú (používanú v každodennom živote) musí byť v obvode prítomný menič

Solárne panely sú určené výhradne na výrobu elektrického prúdu. Na druhej strane sa akumuluje na zásobovanie domu elektrinou v noci, keď slnko klesne pod horizont, už v batériách, ktoré sú navyše prítomné v okruhu napájania zariadenia.

Batéria je tu myslená v kontexte určitého súboru podobných komponentov zostavených do jedného celku. V skutočnosti je to len panel niekoľkých rovnakých fotobuniek.

Vnútorná štruktúra solárnej batérie

Postupne sú solárne panely lacnejšie a efektívnejšie.Teraz sa používajú na dobíjanie batérií v pouličných lampách, smartfónoch, elektromobiloch, súkromných domoch a na satelitoch vo vesmíre. Dokonca začali stavať plnohodnotné solárne elektrárne (SPP) s veľkými výrobnými objemami.

Solárna batéria pozostáva z mnohých fotočlánkov (fotoelektrických konvertorov), ktoré premieňajú energiu fotónov zo slnka na elektrickú energiu

Každá solárna batéria je navrhnutá ako blok určitého počtu modulov, ktoré kombinujú polovodičové fotobunky zapojené do série. Aby sme pochopili princípy fungovania takejto batérie, je potrebné pochopiť fungovanie tohto konečného spojenia v zariadení solárneho panela, vytvoreného na báze polovodičov.

Typy kryštálov fotočlánkov

Existuje obrovské množstvo možností FEP vyrobených z rôznych chemických prvkov. Väčšina z nich je však vývoj v počiatočných fázach. V súčasnosti sa v priemyselnom meradle vyrábajú iba panely vyrobené z fotovoltaických článkov na báze kremíka.

Kremíkové polovodiče sa používajú pri výrobe solárnych článkov kvôli ich nízkej cene, nemôžu sa pochváliť obzvlášť vysokou účinnosťou

Typický fotočlánok v solárnom paneli je tenký plátok z dvoch vrstiev kremíka, z ktorých každá má svoje vlastné fyzikálne vlastnosti. Ide o klasický polovodičový p-n prechod s pármi elektrón-diera.

Keď fotóny zasiahnu fotovoltaický článok medzi týmito polovodičovými vrstvami, v dôsledku nehomogenity kryštálu sa vytvorí hradlové foto-EMF, čo vedie k rozdielu potenciálov a prúdu elektrónov.

Kremíkové doštičky solárnych článkov sa technológiou výroby líšia na:

1. Monokryštalický.
2. Polykryštalický.

Prvé majú vyššiu účinnosť, ale náklady na ich výrobu sú vyššie ako náklady na ich výrobu. Navonok možno na solárnom paneli odlíšiť jednu možnosť od druhej podľa jej tvaru.

Monokryštalické solárne články majú homogénnu štruktúru, sú vyrobené vo forme štvorcov so zrezanými rohmi. Naproti tomu polykryštalické prvky majú striktne štvorcový tvar.

Polykryštály sa získavajú postupným ochladzovaním roztaveného kremíka. Táto metóda je mimoriadne jednoduchá, a preto sú takéto fotobunky lacné.

Ale ich produktivita, pokiaľ ide o výrobu elektriny zo slnečných lúčov, zriedka presahuje 15%. Je to spôsobené „nečistotou“ výsledných kremíkových plátkov a ich vnútornej štruktúry. Tu platí, že čím je p-kremíková vrstva čistejšia, tým vyššia je účinnosť solárneho článku z nej.

Čistota monokryštálov je v tomto ohľade oveľa vyššia ako čistota polykryštalických analógov. Sú vyrobené nie z roztaveného, ​​ale z umelo pestovaného pevného kremíkového kryštálu. Koeficient fotoelektrickej premeny takýchto solárnych článkov už dosahuje 20-22%.

Jednotlivé fotobunky sú zostavené do spoločného modulu na hliníkovom ráme a pre ich ochranu sú zvrchu prekryté odolným sklom, ktoré nijako neprekáža slnečným lúčom.

Vrchná vrstva dosky fotobunky smerujúca k slnku je vyrobená z rovnakého kremíka, ale s prídavkom fosforu. Práve ten druhý bude zdrojom prebytočných elektrónov v systéme pn junction.

Skutočným prelomom v oblasti solárnej energie bol vývoj flexibilných panelov s amorfným fotovoltaickým kremíkom:

Princíp činnosti solárneho panelu

Keď slnečné svetlo dopadne na fotobunku, vytvoria sa v nej nerovnovážne páry elektrón-diera. Prebytočné elektróny a diery sa čiastočne prenášajú cez pn prechod z jednej vrstvy polovodiča do druhej.

V dôsledku toho sa vo vonkajšom obvode objaví napätie. V tomto prípade je kladný pól zdroja prúdu vytvorený na kontakte p-vrstvy a záporný pól na n-vrstve.

Potenciálny rozdiel (napätie) medzi kontaktmi fotočlánku sa objavuje v dôsledku zmeny počtu „dier“ a elektrónov na rôznych stranách p-n prechodu v dôsledku ožiarenia n-vrstvy slnečnými lúčmi.

Fotočlánky napojené na externú záťaž v podobe batérie s ňou tvoria začarovaný kruh. Výsledkom je, že solárny panel funguje ako akési koleso, po ktorom elektróny „behajú“ spolu medzi proteínmi. A batéria sa postupne nabíja.

Štandardné kremíkové fotovoltaické meniče sú jednočlánkové články.Tok elektrónov do nich nastáva len cez jeden p-n prechod so zónou tohto prechodu obmedzenou na energiu fotónu.

To znamená, že každá takáto fotobunka je schopná vyrábať elektrinu len z úzkeho spektra slnečného žiarenia. Všetka ostatná energia je zbytočná. Preto je účinnosť FEP taká nízka.

Na zvýšenie účinnosti solárnych článkov sa pre nich nedávno začali vyrábať kremíkové polovodičové prvky multijunction (kaskáda). V nových solárnych článkoch je už niekoľko prechodov. Navyše, každý z nich v tejto kaskáde je navrhnutý pre svoje vlastné spektrum slnečného svetla.

Celková účinnosť premeny fotónov na elektrický prúd pre takéto fotobunky v konečnom dôsledku stúpa. Ale ich cena je oveľa vyššia. Tu buď jednoduchosť výroby s nízkymi nákladmi a nízkou účinnosťou, alebo vyššia návratnosť spojená s vysokými nákladmi.

Solárny panel môže fungovať v lete aj v zime (potrebuje svetlo, nie teplo) - čím menej oblačnosti a čím jasnejšie svieti slnko, tým väčší elektrický prúd solárny panel vygeneruje

Počas prevádzky sa fotobunka a celá batéria postupne zahrievajú. Všetka energia, ktorá sa nespotrebovala na výrobu elektrického prúdu, sa premení na teplo. Teplota na povrchu solárneho panelu často stúpne na 50–55 °C. Ale čím je vyššia, tým menej efektívne fotovoltaický článok funguje.

Výsledkom je, že rovnaký model solárnej batérie generuje menej prúdu v horúcom počasí ako v chladnom počasí. Fotobunky vykazujú maximálnu účinnosť za jasného zimného dňa. Hrajú tu dva faktory – veľa slnka a prirodzené ochladzovanie.

Navyše, ak na panel napadne sneh, bude stále pokračovať vo výrobe elektriny.Navyše snehové vločky nebudú mať ani čas na to veľa ležať, pretože sa roztopia z tepla vyhrievaných fotobuniek.

Účinnosť solárnej batérie

Jedna fotobunka, dokonca aj na poludnie za jasného počasia, produkuje veľmi málo elektriny, ktorá postačuje len na prevádzku LED baterky.

Na zvýšenie výstupného výkonu je niekoľko solárnych článkov kombinovaných v paralelnom obvode na zvýšenie jednosmerného napätia a v sériovom obvode na zvýšenie prúdu.

Účinnosť solárnych panelov závisí od:

• teplota vzduchu a samotnej batérie;
• správny výber odolnosti proti zaťaženiu;
• uhol dopadu slnečného svetla;
• prítomnosť/neprítomnosť antireflexného povlaku;
• výkon svetelného toku.

Čím nižšia je vonkajšia teplota, tým efektívnejšie fungujú fotobunky a solárna batéria ako celok. Všetko je tu jednoduché. Ale s výpočtom zaťaženia je situácia komplikovanejšia. Mala by byť vybraná na základe prúdu dodávaného panelom. Jeho hodnota sa však líši v závislosti od faktorov počasia.

Solárne panely sa vyrábajú s výstupným napätím, ktoré je násobkom 12 V - ak je potrebné dodať 24 V do batérie, potom k nej budú musieť byť pripojené dva panely paralelne

Neustále sledovanie parametrov solárnej batérie a manuálne nastavovanie jej chodu je problematické. Na to je lepšie použiť kontrolný ovládač, ktorý automaticky upravuje nastavenia solárneho panelu tak, aby z neho dosiahol maximálny výkon a optimálne prevádzkové režimy.

Ideálny uhol dopadu slnečných lúčov na solárnu batériu je rovný. Ak je však odchýlka od kolmice do 30 stupňov, účinnosť panelu klesne len asi o 5 %.Ale s ďalším zvyšovaním tohto uhla sa bude odrážať zvyšujúci sa podiel slnečného žiarenia, čím sa zníži účinnosť solárneho článku.

Ak má batéria v lete produkovať maximum energie, potom by mala byť orientovaná kolmo na priemernú polohu Slnka, ktorú zaujíma v rovnodennosti na jar a na jeseň.

Pre moskovský región je to približne 40–45 stupňov k horizontu. Ak je v zime potrebné maximum, potom by mal byť panel umiestnený vo zvislejšej polohe.

A ešte jedna vec – prach a nečistoty výrazne znižujú výkon fotobuniek. Fotóny sa k nim jednoducho cez takúto „špinavú“ bariéru nedostanú, čo znamená, že nie je čo premeniť na elektrinu. Panely sa musia pravidelne umývať alebo umiestňovať tak, aby sa prach zmýval dažďom sám.

Niektoré solárne panely majú zabudované šošovky na sústredenie žiarenia na solárny článok. Za jasného počasia to vedie k zvýšeniu účinnosti. V ťažkých mrakoch však tieto šošovky len škodia.

Ak konvenčný panel v takejto situácii naďalej generuje prúd, hoci v menších objemoch, potom model šošovky prestane fungovať takmer úplne.

Slnko by v ideálnom prípade malo rovnomerne osvetľovať batériu fotobuniek. Ak sa ukáže, že jedna z jeho častí je tmavá, potom sa neosvetlené solárne články premenia na parazitickú záťaž. Energiu v takejto situácii nielenže nevyrábajú, ale aj odoberajú pracovným prvkom.

Panely musia byť inštalované tak, aby v dráhe slnečných lúčov neboli stromy, budovy alebo iné prekážky.

Schéma solárneho napájania domu

Systém solárneho napájania obsahuje:

1. Solárne panely.
2. Ovládač.
3. Batérie.
4. Invertor (transformátor).

Regulátor v tomto obvode chráni solárne panely aj batérie. Na jednej strane zabraňuje toku spätných prúdov v noci a pri zamračenom počasí a na druhej chráni batérie pred nadmerným nabitím/vybitím.

Nabíjateľné batérie pre solárne panely by mali byť zvolené rovnako vo veku a kapacite, inak nabíjanie/vybíjanie bude nerovnomerné, čo povedie k prudkému zníženiu ich životnosti

Na transformáciu jednosmerného prúdu 12, 24 alebo 48 voltov na striedavý prúd 220 voltov potrebujete striedač. Autobatérie sa neodporúčajú používať v takomto okruhu kvôli ich neschopnosti vydržať časté dobíjanie. Najlepšie je minúť peniaze a kúpiť špeciálne héliové AGM alebo zaplavené batérie OPzS.

Závery a užitočné video na túto tému

Prevádzkové princípy a schémy zapojenia solárnych panelov nie je príliš ťažké pochopiť. A s video materiálmi, ktoré sme zhromaždili nižšie, bude ešte jednoduchšie pochopiť všetky zložitosti fungovania a inštalácie solárnych panelov.

Je prístupné a zrozumiteľné, ako funguje fotovoltaická solárna batéria, a to vo všetkých jeho detailoch:

Pozrite si, ako fungujú solárne panely v nasledujúcom videu:

Svojpomocná zostava solárneho panelu z fotobuniek:

Každý prvok v solárny systém chata musí byť vybratá správne. Nevyhnutné straty energie sa vyskytujú v batériách, transformátoroch a regulátore. A treba ich znížiť na minimum, inak sa už aj tak dosť nízka účinnosť solárnych panelov zníži na nulu.

Mali ste nejaké otázky pri štúdiu materiálu? Alebo poznáte cenné informácie k téme článku a môžete sa o ne podeliť s našimi čitateľmi? Zanechajte prosím svoje komentáre v bloku nižšie.