Princip rada solarne baterije: kako radi i radi solarna ploča

Učinkovito pretvaranje slobodnih sunčevih zraka u energiju koja se može koristiti za napajanje domova i drugih objekata cijenjeni je san mnogih zagovornika zelene energije.

Ali princip rada solarne baterije i njezina učinkovitost su takvi da još nema potrebe govoriti o visokoj učinkovitosti takvih sustava. Bilo bi lijepo imati svoj dodatni izvor električne energije. Nije li? Štoviše, i danas se u Rusiji, uz pomoć solarnih panela, znatan broj privatnih kućanstava uspješno opskrbljuje “besplatnom” električnom energijom. Još uvijek ne znate odakle početi?

U nastavku ćemo vam reći o dizajnu i principima rada solarne ploče; saznat ćete o čemu ovisi učinkovitost solarnog sustava. A videozapisi objavljeni u članku pomoći će vam sastaviti solarnu ploču iz fotoćelija vlastitim rukama.

Solarni paneli: terminologija

Postoji dosta nijansi i zabune u temi "solarna energija". Početnicima je često isprva teško razumjeti sve nepoznate pojmove. Ali bez toga, nerazumno je baviti se solarnom energijom, kupnjom opreme za generiranje "solarne" struje.

Nesvjesno, ne samo da možete odabrati pogrešnu ploču, već je jednostavno spaliti prilikom spajanja ili iz nje izvući premalo energije.

Prvo, trebali biste razumjeti postojeće vrste opreme za solarnu energiju. Solarni paneli i solarni kolektori dva su bitno različita uređaja. I jedni i drugi pretvaraju energiju sunčevih zraka.

Međutim, u prvom slučaju potrošač dobiva električnu energiju na izlazu, au drugom toplinsku energiju u obliku zagrijane rashladne tekućine, tj. koriste se solarni paneli kućno grijanje.

Maksimalan povrat od solarnog panela može se postići samo ako se zna kako radi, od kojih se komponenti i sklopova sastoji te kako je sve ispravno spojeno

Druga nijansa je koncept pojma "solarna baterija". Obično se riječ "baterija" odnosi na neku vrstu uređaja za pohranu električne energije. Ili vam pada na pamet banalni radijator za grijanje. Međutim, u slučaju solarnih baterija situacija je radikalno drugačija. Ne gomilaju ništa u sebi.

Solarni panel stvara stalnu električnu struju. Da biste ga pretvorili u varijablu (koristi se u svakodnevnom životu), pretvarač mora biti prisutan u krugu

Solarni paneli su dizajnirani isključivo za proizvodnju električne struje. Ona se, pak, akumulira za opskrbu kuće električnom energijom noću, kada sunce zađe ispod horizonta, već u baterijama koje su dodatno prisutne u krugu opskrbe energijom objekta.

Ovdje se misli na bateriju u kontekstu određenog skupa sličnih komponenti sklopljenih u jedinstvenu cjelinu. Zapravo, to je samo ploča od nekoliko identičnih fotoćelija.

Unutarnja struktura solarne baterije

Postupno solarni paneli postaju jeftiniji i učinkovitiji.Sada se koriste za punjenje baterija u uličnim svjetiljkama, pametnim telefonima, električnim automobilima, privatnim kućama i na satelitima u svemiru. Čak su počeli graditi punopravne solarne elektrane (SPP) s velikim količinama proizvodnje.

Solarna baterija se sastoji od mnogo fotoćelija (fotoelektričnih pretvarača) koje pretvaraju energiju fotona Sunca u električnu energiju

Svaka solarna baterija dizajnirana je kao blok od određenog broja modula, koji kombiniraju serijski spojene poluvodičke fotoćelije. Da bismo razumjeli principe rada takve baterije, potrebno je razumjeti rad ove završne veze u uređaju solarne ploče, stvorene na temelju poluvodiča.

Vrste kristala fotoćelija

Postoji ogroman broj FEP opcija napravljenih od različitih kemijskih elemenata. Međutim, većina njih su razvoji u početnim fazama. Do sada se u industrijskoj mjeri proizvode samo ploče izrađene od fotonaponskih ćelija na bazi silicija.

Silicijski poluvodiči koriste se u proizvodnji solarnih ćelija zbog niske cijene, ne mogu se pohvaliti posebno visokom učinkovitošću

Tipična fotoćelija u solarnoj ploči je tanka pločica od dva sloja silicija, od kojih svaki ima svoja fizička svojstva. Ovo je klasični poluvodički p-n spoj s parovima elektron-šupljina.

Kada fotoni pogode fotonaponsku ćeliju između tih poluvodičkih slojeva, zbog nehomogenosti kristala, formira se foto-EMF vrata, što rezultira razlikom potencijala i strujom elektrona.

Silicijske ploče solarnih ćelija razlikuju se u tehnologiji proizvodnje na:

1. Monokristalni.
2. Polikristalni.

Prvi imaju veću učinkovitost, ali su troškovi njihove proizvodnje veći od potonjih. Izvana se jedna opcija može razlikovati od druge na solarnoj ploči po obliku.

Monokristalne solarne ćelije imaju homogenu strukturu, izrađene su u obliku kvadrata s odrezanim kutovima. Nasuprot tome, polikristalni elementi imaju strogo kvadratni oblik.

Polikristali se dobivaju postupnim hlađenjem rastaljenog silicija. Ova metoda je izuzetno jednostavna, zbog čega su takve fotoćelije jeftine.

Ali njihova produktivnost u smislu proizvodnje električne energije iz sunčevih zraka rijetko prelazi 15%. To je zbog "nečistoće" dobivenih silikonskih pločica i njihove unutarnje strukture. Ovdje, što je sloj p-silicija čišći, veća je učinkovitost solarne ćelije iz njega.

Čistoća pojedinačnih kristala u tom pogledu mnogo je veća od polikristalnih analoga. Oni nisu izrađeni od rastaljenog, već od umjetno uzgojenog čvrstog kristala silicija. Koeficijent fotoelektrične pretvorbe takvih solarnih ćelija već doseže 20-22%.

Pojedinačne fotoćelije sastavljene su u zajednički modul na aluminijskom okviru, a radi zaštite odozgo su prekrivene izdržljivim staklom koje ni na koji način ne ometa sunčeve zrake

Gornji sloj ploče fotoćelije okrenut prema suncu napravljen je od istog silicija, ali s dodatkom fosfora. Upravo će potonji biti izvor viška elektrona u sustavu pn spoja.

Pravi proboj u području solarne energije bio je razvoj fleksibilnih panela s amorfnim fotonaponskim silicijumom:

Princip rada solarne ploče

Kada sunčeva svjetlost padne na fotoćeliju, u njoj se stvaraju neravnotežni parovi elektron-šupljina. Višak elektrona i šupljina se djelomično prenosi kroz pn spoj iz jednog sloja poluvodiča u drugi.

Kao rezultat toga, napon se pojavljuje u vanjskom krugu. Pri tome se na kontaktu p-sloja formira pozitivni pol izvora struje, a na n-sloju negativni pol.

Razlika potencijala (napon) između kontakata fotoćelije pojavljuje se zbog promjene broja "rupa" i elektrona na različitim stranama p-n spoja kao rezultat ozračivanja n-sloja sunčevim zrakama.

Fotoćelije povezane s vanjskim opterećenjem u obliku baterije čine s njim začarani krug. Kao rezultat toga, solarni panel radi kao neka vrsta kotača duž kojeg elektroni "trče" zajedno između proteina. A baterija se postupno puni.

Standardni silicijski fotonaponski pretvarači su ćelije s jednim spojem.Protok elektrona u njih događa se samo kroz jedan p-n spoj sa zonom ovog prijelaza ograničenom energijom fotona.

To jest, svaka takva fotoćelija sposobna je generirati električnu energiju samo iz uskog spektra sunčevog zračenja. Sva ostala energija je izgubljena. Zbog toga je učinkovitost FEP-a tako niska.

Kako bi se povećala učinkovitost solarnih ćelija, silicijevi poluvodički elementi za njih nedavno su se počeli izrađivati ​​višespojnim (kaskadnim). Već postoji nekoliko prijelaza u novim solarnim ćelijama. Štoviše, svaki od njih u ovoj kaskadi dizajniran je za vlastiti spektar sunčeve svjetlosti.

Ukupna učinkovitost pretvaranja fotona u električnu struju za takve fotoćelije u konačnici raste. Ali njihova cijena je mnogo veća. Ovdje je ili jednostavnost proizvodnje s niskom cijenom i niskom učinkovitošću ili veći prinosi u kombinaciji s visokim troškovima.

Solarni panel može raditi i ljeti i zimi (potrebno mu je svjetlo, a ne toplina) - što je manje oblačno i što jače sunce sja, solarni panel će generirati više električne struje

Tijekom rada fotoćelija i cijela baterija postupno se zagrijavaju. Sva energija koja nije utrošena za stvaranje električne struje pretvara se u toplinu. Često se temperatura na površini solarne ploče penje na 50–55 °C. Ali što je veći, fotonaponska ćelija radi manje učinkovito.

Kao rezultat toga, isti model solarne baterije generira manje struje po vrućem nego po hladnom vremenu. Fotoćelije pokazuju maksimalnu učinkovitost za vedrog zimskog dana. Ovdje su u igri dva faktora - puno sunca i prirodno hlađenje.

Štoviše, ako snijeg padne na ploču, ona će i dalje proizvoditi električnu energiju.Štoviše, snježne pahulje neće imati vremena ni puno ležati na njemu, rastopiti se od topline zagrijanih fotoćelija.

Učinkovitost solarne baterije

Jedna fotoćelija, čak i u podne po vedrom vremenu, proizvodi vrlo malo električne energije, dovoljno samo za rad LED svjetiljke.

Kako bi se povećala izlazna snaga, nekoliko solarnih ćelija kombinira se u paralelni krug za povećanje istosmjernog napona i u serijski krug za povećanje struje.

Učinkovitost solarnih panela ovisi o:

• temperatura zraka i same baterije;
• ispravan odabir otpora opterećenja;
• upadni kut sunčeve svjetlosti;
• prisutnost / odsutnost antirefleksnog premaza;
• snaga svjetlosnog toka.

Što je vanjska temperatura niža, fotoćelije i solarna baterija u cjelini rade učinkovitije. Ovdje je sve jednostavno. Ali s izračunom opterećenja situacija je složenija. Treba ga odabrati na temelju struje koju daje ploča. Ali njegova vrijednost varira ovisno o vremenskim čimbenicima.

Solarni paneli se proizvode s izlaznim naponom koji je višekratnik od 12 V - ako se na bateriju treba napajati 24 V, tada će na nju morati biti paralelno spojena dva panela

Stalno praćenje parametara solarne baterije i ručno podešavanje njezina rada je problematično. Za ovo je bolje koristiti kontrolni kontroler, koji automatski prilagođava postavke solarne ploče kako bi se iz nje postigla maksimalna učinkovitost i optimalni načini rada.

Idealni upadni kut sunčevih zraka na solarnu bateriju je ravan. Međutim, ako je odstupanje unutar 30 stupnjeva od okomice, učinkovitost panela pada za samo oko 5%.Ali s daljnjim povećanjem ovog kuta, sve veći udio sunčevog zračenja će se reflektirati, čime se smanjuje učinkovitost solarne ćelije.

Ako je potrebno da baterija proizvodi maksimalnu energiju ljeti, tada bi trebala biti usmjerena okomito na prosječni položaj Sunca, koji zauzima na ekvinocije u proljeće i jesen.

Za moskovsku regiju to je otprilike 40–45 stupnjeva prema horizontu. Ako je zimi potreban maksimum, tada bi ploču trebalo postaviti u okomitiji položaj.

I još nešto - prašina i prljavština uvelike smanjuju učinkovitost fotoćelija. Fotoni jednostavno ne dopiru do njih kroz tako "prljavu" barijeru, što znači da se nema što pretvoriti u električnu energiju. Ploče je potrebno redovito prati ili postaviti tako da kiša sama ispere prašinu.

Neki solarni paneli imaju ugrađene leće za koncentriranje zračenja na solarnu ćeliju. Za vedrog vremena to dovodi do povećane učinkovitosti. Međutim, u velikim oblacima, ove leće samo štete.

Ako konvencionalna ploča u takvoj situaciji nastavi generirati struju, iako u manjim količinama, tada će model leće gotovo potpuno prestati raditi.

Idealno bi bilo da sunce ravnomjerno obasjava bateriju fotoćelija. Ako se jedan od njegovih dijelova pokaže zatamnjenim, tada se neosvijetljene solarne ćelije pretvaraju u parazitsko opterećenje. Ne samo da u takvoj situaciji ne stvaraju energiju, već je i oduzimaju radnim elementima.

Paneli moraju biti postavljeni tako da nema drveća, zgrada ili drugih prepreka na putu sunčevih zraka.

Dijagram kućnog solarnog napajanja

Sustav solarnog napajanja uključuje:

1. Solarni paneli.
2. Kontrolor.
3. Baterije.
4. Inverter (transformator).

Kontroler u ovom krugu štiti i solarne ploče i baterije. S jedne strane sprječava protok obrnutih struja noću i po oblačnom vremenu, a s druge strane štiti baterije od prekomjernog punjenja/pražnjenja.

Punjive baterije za solarne panele treba odabrati iste starosti i kapaciteta, inače će se punjenje / pražnjenje dogoditi neravnomjerno, što će dovesti do naglog smanjenja njihovog vijeka trajanja

Za transformaciju istosmjerne struje od 12, 24 ili 48 volti u izmjeničnu struju od 220 volti trebate pretvarač. Automobilske baterije se ne preporučuju za korištenje u takvom krugu zbog njihove nesposobnosti da izdrže česta punjenja. Najbolje je potrošiti novac i kupiti posebne helijeve AGM ili natopljene OPzS baterije.

Zaključci i koristan video na tu temu

Principi rada i dijagrami spajanja solarnih panela nije previše teško razumjeti. A uz video materijale koje smo prikupili u nastavku, bit će još lakše razumjeti sve zamršenosti funkcioniranja i instalacije solarnih panela.

Dostupan je i razumljiv način rada fotonaponske solarne baterije, u svim detaljima:

Pogledajte kako rade solarni paneli u sljedećem videu:

DIY sklop solarnog panela od fotoćelija:

Svaki element u solarni energetski sustav kućica mora biti pravilno odabrana. Neizbježni gubici snage javljaju se u baterijama, transformatorima i regulatoru. I moraju se svesti na minimum, inače će se ionako prilično niska učinkovitost solarnih panela svesti na nulu.

Jeste li imali pitanja tijekom proučavanja materijala? Ili znate vrijedne informacije o temi članka i možete ih podijeliti s našim čitateljima? Ostavite svoje komentare u bloku ispod.