Принципът на работа на слънчевата батерия: как работи и работи слънчевият панел

Ефективното преобразуване на свободните слънчеви лъчи в енергия, която може да се използва за захранване на домове и други съоръжения, е съкровената мечта на много апологети на зелената енергия.

Но принципът на работа на слънчевата батерия и нейната ефективност са такива, че все още не е необходимо да се говори за висока ефективност на такива системи. Би било хубаво да имате собствен допълнителен източник на електроенергия. Не е ли? Освен това дори днес в Русия, с помощта на слънчеви панели, значителен брой частни домакинства успешно се снабдяват с „безплатно“ електричество. Все още не знаете откъде да започнете?

По-долу ще ви разкажем за дизайна и принципите на работа на слънчевия панел; ще научите от какво зависи ефективността на слънчевата система. А видеоклиповете, публикувани в статията, ще ви помогнат да сглобите слънчев панел от фотоклетки със собствените си ръце.

Слънчеви панели: терминология

Има доста нюанси и объркване в темата „слънчева енергия“. Често за начинаещите в началото е трудно да разберат всички непознати термини. Но без това е неразумно да се занимавате със слънчева енергия, закупувайки оборудване за генериране на „слънчев“ ток.

Несъзнателно можете не само да изберете грешен панел, но и просто да го изгорите, когато го свържете или да извлечете твърде малко енергия от него.

Първо, трябва да разберете съществуващите видове оборудване за слънчева енергия. Слънчевите панели и слънчевите колектори са две коренно различни устройства. И двете преобразуват енергията на слънчевите лъчи.

Въпреки това, в първия случай потребителят получава електрическа енергия на изхода, а във втория - топлинна енергия под формата на нагрята охлаждаща течност, т.е. се използват слънчеви панели отопление на дома.

Максималната възвръщаемост от слънчевия панел може да се получи само като се знае как работи, от какви компоненти и възли се състои и как е свързан правилно

Вторият нюанс е концепцията за термина „слънчева батерия“. Обикновено думата „батерия“ се отнася до някакъв вид устройство за съхранение на електричество. Или банален отоплителен радиатор идва на ум. При слънчевите батерии обаче ситуацията е коренно различна. Те не трупат нищо в себе си.

Слънчевият панел генерира постоянен електрически ток. За да го преобразувате в променлив (използван в ежедневието), във веригата трябва да присъства инвертор

Слънчевите панели са предназначени единствено за генериране на електрически ток. То от своя страна се акумулира за захранване на къщата с електричество през нощта, когато слънцето се скрие зад хоризонта, вече в батериите, които допълнително присъстват в енергийната верига на съоръжението.

Батерията тук се има предвид в контекста на определен набор от подобни компоненти, събрани в едно цяло. Всъщност това е просто панел от няколко еднакви фотоклетки.

Вътрешна структура на слънчева батерия

Постепенно соларните панели стават по-евтини и по-ефективни.Сега те се използват за презареждане на батерии в улични лампи, смартфони, електрически автомобили, частни домове и сателити в космоса. Те дори започнаха да изграждат пълноценни слънчеви електроцентрали (SPP) с големи производствени обеми.

Слънчевата батерия се състои от много фотоклетки (фотоелектрически преобразуватели), които преобразуват енергията на фотоните от слънцето в електричество

Всяка слънчева батерия е проектирана като блок от определен брой модули, които комбинират последователно свързани полупроводникови фотоклетки. За да разберете принципите на работа на такава батерия, е необходимо да разберете работата на тази крайна връзка в устройството на слънчевия панел, създаден на базата на полупроводници.

Видове фотоклетки кристали

Има огромен брой опции за FEP, направени от различни химични елементи. Повечето от тях обаче са разработки в начален етап. Досега в индустриален мащаб се произвеждат само панели, направени от фотоволтаични клетки на основата на силиций.

Силициевите полупроводници се използват в производството на слънчеви клетки поради ниската им цена, те не могат да се похвалят с особено висока ефективност

Типичната фотоклетка в слънчев панел е тънка пластина от два слоя силиций, всеки от които има свои собствени физически свойства. Това е класически полупроводников p-n преход с двойки електрон-дупка.

Когато фотоните ударят фотоволтаичната клетка между тези полупроводникови слоеве, поради нехомогенността на кристала, се образува фото-ЕМП на затвора, което води до потенциална разлика и електронен ток.

Силиконовите пластини от слънчеви клетки се различават по технологията на производство на:

1. Монокристален.
2. Поликристален.

Първите имат по-висока ефективност, но цената на производството им е по-висока от тази на вторите. Външно една опция може да се разграничи от друга на слънчевия панел по своята форма.

Монокристалните слънчеви клетки имат хомогенна структура, направени са под формата на квадрати с изрязани ъгли. За разлика от тях поликристалните елементи имат строго квадратна форма.

Поликристалите се получават чрез постепенно охлаждане на разтопен силиций. Този метод е изключително прост, поради което такива фотоклетки са евтини.

Но тяхната производителност по отношение на генерирането на електроенергия от слънчеви лъчи рядко надвишава 15%. Това се дължи на "нечистотата" на получените силициеви пластини и тяхната вътрешна структура. Тук колкото по-чист е слоят p-силиций, толкова по-висока е ефективността на слънчевата клетка от него.

Чистотата на монокристалите в това отношение е много по-висока от тази на поликристалните аналози. Те са направени не от разтопен, а от изкуствено отгледан твърд силициев кристал. Коефициентът на фотоелектрично преобразуване на такива слънчеви клетки вече достига 20-22%.

Индивидуалните фотоклетки са сглобени в общ модул върху алуминиева рамка, а за защита са покрити отгоре с устойчиво стъкло, което по никакъв начин не пречи на слънчевите лъчи

Горният слой на фотоклетката, обърнат към слънцето, е направен от същия силиций, но с добавка на фосфор. Именно последният ще бъде източникът на излишни електрони в системата на pn прехода.

Истински пробив в областта на слънчевата енергия беше разработването на гъвкави панели с аморфен фотоволтаичен силиций:

Принцип на работа на соларния панел

Когато слънчевата светлина падне върху фотоклетка, в нея се генерират неравновесни двойки електрон-дупка. Излишните електрони и дупки се прехвърлят частично през pn прехода от един слой на полупроводника към друг.

В резултат на това във външната верига се появява напрежение. В този случай на контакта на p-слоя се образува положителен полюс на източника на ток, а на n-слоя - отрицателен полюс.

Потенциалната разлика (напрежение) между контактите на фотоклетката се появява поради промяна в броя на „дупките“ и електроните от различните страни на p-n прехода в резултат на облъчване на n-слоя със слънчеви лъчи

Фотоклетките, свързани към външен товар под формата на батерия, образуват порочен кръг с него. В резултат на това слънчевият панел работи като вид колело, по което електроните „бягат“ заедно между протеините. И батерията постепенно се зарежда.

Стандартните силициеви фотоволтаични преобразуватели са клетки с един преход.Потокът от електрони в тях се осъществява само през един p-n преход със зона на този преход, ограничена в енергията на фотона.

Тоест, всяка такава фотоклетка е в състояние да генерира електричество само от тесен спектър на слънчева радиация. Всяка друга енергия се губи. Ето защо ефективността на FEP е толкова ниска.

За да се повиши ефективността на слънчевите клетки, силициевите полупроводникови елементи за тях напоследък започнаха да се правят многопреходни (каскадни). Вече има няколко прехода в новите соларни клетки. Освен това всеки от тях в тази каскада е проектиран за собствен спектър от слънчева светлина.

Общата ефективност на преобразуването на фотоните в електрически ток за такива фотоклетки в крайна сметка се увеличава. Но цената им е много по-висока. Тук или лекота на производство с ниска цена и ниска ефективност, или по-висока възвращаемост, съчетана с висока цена.

Соларният панел може да работи както през лятото, така и през зимата (има нужда от светлина, а не от топлина) - колкото по-малко облачно и колкото по-ярко грее слънцето, толкова повече електрически ток ще генерира слънчевият панел

По време на работа фотоклетката и цялата батерия постепенно се нагряват. Цялата енергия, която не е била използвана за генериране на електрически ток, се трансформира в топлина. Често температурата на повърхността на слънчевия панел се повишава до 50–55 °C. Но колкото по-висока е тя, толкова по-малко ефективна е фотоволтаичната клетка.

В резултат на това един и същ модел слънчева батерия генерира по-малко ток в горещо време, отколкото в студено време. Фотоклетките показват максимална ефективност в ясен зимен ден. Тук играят два фактора - много слънце и естествено охлаждане.

Освен това, ако върху панела падне сняг, той ще продължи да генерира електричество.Освен това снежинките дори няма да имат време да лежат много върху него, след като са се стопили от топлината на нагретите фотоклетки.

Ефективност на слънчевата батерия

Една фотоклетка, дори по обяд при ясно време, произвежда много малко електричество, достатъчно само за работа на LED фенерче.

За да се увеличи изходната мощност, няколко слънчеви клетки се комбинират в паралелна верига за увеличаване на постояннотоковото напрежение и в последователна верига за увеличаване на тока.

Ефективността на слънчевите панели зависи от:

• температура на въздуха и самата батерия;
• правилен избор на устойчивост на натоварване;
• ъгъл на падане на слънчевата светлина;
• наличие/отсъствие на антирефлексно покритие;
• мощност на светлинния поток.

Колкото по-ниска е външната температура, толкова по-ефективна е работата на фотоклетките и слънчевата батерия като цяло. Тук всичко е просто. Но с изчисляването на натоварването ситуацията е по-сложна. Той трябва да бъде избран въз основа на тока, подаван от панела. Но стойността му варира в зависимост от метеорологичните фактори.

Слънчевите панели се произвеждат с изходно напрежение, което е кратно на 12 V - ако 24 V трябва да бъдат доставени към батерията, тогава два панела ще трябва да бъдат свързани паралелно към нея

Постоянното наблюдение на параметрите на слънчевата батерия и ръчното регулиране на нейната работа е проблематично. За това е по-добре да използвате контролер за управление, който автоматично регулира настройките на соларния панел с цел постигане на максимална производителност и оптимални режими на работа от него.

Идеалният ъгъл на падане на слънчевите лъчи върху слънчева батерия е прав. Но ако отклонението е в рамките на 30 градуса от перпендикуляра, ефективността на панела пада само с около 5%.Но с по-нататъшно увеличаване на този ъгъл ще се отрази нарастваща част от слънчевата радиация, като по този начин ще се намали ефективността на слънчевата клетка.

Ако се изисква батерията да произвежда максимална енергия през лятото, тогава тя трябва да бъде ориентирана перпендикулярно на средното положение на Слънцето, което заема на равноденствията през пролетта и есента.

За района на Москва това е приблизително 40–45 градуса спрямо хоризонта. Ако е необходим максимум през зимата, тогава панелът трябва да се постави в по-вертикално положение.

И още нещо - прахът и мръсотията значително намаляват работата на фотоклетките. Фотоните просто не достигат до тях през такава „мръсна“ бариера, което означава, че няма какво да се преобразува в електричество. Панелите трябва да се мият редовно или да се поставят така, че прахът да се отмива сам от дъжда.

Някои слънчеви панели имат вградени лещи за концентриране на радиацията върху слънчевата клетка. При ясно време това води до повишена ефективност. При тежки облаци обаче тези лещи причиняват само вреда.

Ако конвенционален панел в такава ситуация продължи да генерира ток, макар и в по-малки обеми, тогава моделът на обектива ще спре да работи почти напълно.

В идеалния случай слънцето трябва да осветява равномерно батерията от фотоклетки. Ако една от секциите му се окаже затъмнена, тогава неосветените слънчеви клетки се превръщат в паразитен товар. Те не само не генерират енергия в такава ситуация, но и я отнемат от работните елементи.

Панелите трябва да бъдат монтирани така, че да няма дървета, сгради или други препятствия по пътя на слънчевите лъчи.

Схема на домашно слънчево захранване

Слънчевата захранваща система включва:

1. Слънчеви панели.
2. Контролер.
3. Батерии.
4. Инвертор (трансформатор).

Контролерът в тази верига защитава както слънчевите панели, така и батериите. От една страна предотвратява протичането на обратни токове през нощта и при облачно време, а от друга предпазва батериите от прекомерно зареждане/разреждане.

Акумулаторните батерии за слънчеви панели трябва да бъдат избрани еднакви по възраст и капацитет, в противен случай зареждането / разреждането ще се случи неравномерно, което ще доведе до рязко намаляване на техния експлоатационен живот

За да преобразувате постоянен ток от 12, 24 или 48 волта в променлив ток от 220 волта, ви трябва инвертор. Автомобилните батерии не се препоръчват за използване в такава верига поради невъзможността им да издържат на често презареждане. Най-добре е да похарчите пари и да закупите специални хелиеви AGM или наводнени OPzS батерии.

Изводи и полезно видео по темата

Принципи на работа и схеми за свързване на слънчеви панели не е твърде трудно за разбиране. А с видео материалите, които сме събрали по-долу, ще бъде още по-лесно да разберете всички тънкости на функционирането и инсталирането на слънчеви панели.

Достъпно и разбираемо е как работи една фотоволтаична слънчева батерия, във всичките й детайли:

Вижте как работят слънчевите панели в следния видеоклип:

Направи си сам сглобяване на соларен панел от фотоклетки:

Всеки елемент в слънчева енергийна система вила трябва да бъде избран правилно. Неизбежни загуби на мощност възникват в батериите, трансформаторите и контролера. И те трябва да бъдат намалени до минимум, в противен случай и без това доста ниската ефективност на слънчевите панели ще бъде намалена до нула.

Имахте ли въпроси, докато изучавахте материала? Или знаете ценна информация по темата на статията и можете да я споделите с нашите читатели? Моля, оставете вашите коментари в блока по-долу.