Principiul de funcționare al unei baterii solare: cum funcționează și funcționează un panou solar

Convertirea efectivă a razelor libere ale soarelui în energie care poate fi folosită pentru alimentarea caselor și a altor facilități este visul prețuit al multor apologeți ai energiei verzi.

Dar principiul de funcționare al bateriei solare și eficiența acesteia sunt de așa natură încât nu este nevoie să vorbim încă despre eficiența ridicată a unor astfel de sisteme. Ar fi bine să aveți propria sursă suplimentară de energie electrică. Nu-i așa? Mai mult, chiar și astăzi în Rusia, cu ajutorul panourilor solare, un număr considerabil de gospodării private sunt alimentate cu succes cu energie electrică „gratuită”. Încă nu știi de unde să începi?

Mai jos vă vom spune despre proiectarea și principiile de funcționare ale unui panou solar; veți afla de ce depinde eficiența unui sistem solar. Și videoclipurile postate în articol vă vor ajuta să asamblați un panou solar din fotocelule cu propriile mâini.

Panouri solare: terminologie

Există destul de multe nuanțe și confuzii în tema „energiei solare”. Este adesea dificil pentru începători să înțeleagă toți termenii nefamiliari la început. Dar fără aceasta, este nerezonabil să te angajezi în energie solară, achiziționând echipamente pentru generarea de curent „solar”.

Fără să știți, puteți nu numai să alegeți panoul greșit, ci și pur și simplu să îl ardeți atunci când îl conectați sau să extrageți prea puțină energie din el.

În primul rând, ar trebui să înțelegeți tipurile existente de echipamente pentru energia solară. Panourile solare și colectoarele solare sunt două dispozitive fundamental diferite. Ambele transformă energia razelor solare.

Cu toate acestea, în primul caz, consumatorul primește energie electrică la ieșire, iar în al doilea, energie termică sub formă de lichid de răcire încălzit, adică. se folosesc panouri solare pt incalzirea locuintei.

Rentabilitatea maximă de la un panou solar poate fi obținut doar știind cum funcționează, din ce componente și ansambluri constă și cum este conectat corect totul

A doua nuanță este conceptul termenului „baterie solară”. De obicei, cuvântul „baterie” se referă la un fel de dispozitiv de stocare electric. Sau îmi vine în minte un radiator de încălzire banal. Cu toate acestea, în cazul bateriilor solare situația este radical diferită. Ei nu acumulează nimic în sine.

Panoul solar generează un curent electric constant. Pentru a-l converti în variabil (utilizat în viața de zi cu zi), în circuit trebuie să fie prezent un invertor

Panourile solare sunt concepute exclusiv pentru a genera curent electric. La rândul său, se acumulează pentru a alimenta casa cu energie electrică noaptea, când soarele coboară sub orizont, deja în bateriile care sunt prezente suplimentar în circuitul de alimentare cu energie al unității.

Bateria aici este înțeleasă în contextul unui anumit set de componente similare asamblate într-un singur întreg. De fapt, este doar un panou format din mai multe fotocelule identice.

Structura internă a unei baterii solare

Treptat, panourile solare devin din ce în ce mai ieftine și mai eficiente.Ele sunt acum folosite pentru a reîncărca bateriile în lămpi stradale, smartphone-uri, mașini electrice, case private și pe sateliți în spațiu. Ei au început chiar să construiască centrale solare cu drepturi depline (SPP) cu volume mari de generare.

O baterie solară constă din multe fotocelule (convertoare fotoelectrice) care transformă energia fotonilor de la soare în electricitate

Fiecare baterie solară este concepută ca un bloc dintr-un anumit număr de module, care combină fotocelule semiconductoare conectate în serie. Pentru a înțelege principiile de funcționare a unei astfel de baterii, este necesar să înțelegem funcționarea acestei verigi finale în dispozitivul cu panou solar, creat pe baza semiconductorilor.

Tipuri de cristale fotocelule

Există un număr mare de opțiuni FEP realizate din diferite elemente chimice. Cu toate acestea, cele mai multe dintre ele sunt evoluții în stadiile inițiale. Până în prezent, doar panourile realizate din celule fotovoltaice pe bază de siliciu sunt produse în prezent la scară industrială.

Semiconductorii de siliciu sunt utilizați la fabricarea celulelor solare datorită costului lor scăzut; ei nu se pot lăuda cu o eficiență deosebit de ridicată

O fotocelulă tipică dintr-un panou solar este o placă subțire de două straturi de siliciu, fiecare dintre ele având propriile sale proprietăți fizice. Aceasta este o joncțiune p-n semiconductoare clasică cu perechi electron-gaură.

Când fotonii lovesc celula fotovoltaică dintre aceste straturi semiconductoare, din cauza neomogenității cristalului, se formează un foto-EMF de poartă, rezultând o diferență de potențial și un curent de electroni.

Placile de siliciu ale celulelor solare diferă în tehnologia de fabricație prin:

1. Monocristalin.
2. Policristalină.

Primele au o eficiență mai mare, dar costul producției lor este mai mare decât cel al celor din urmă. În exterior, o opțiune poate fi distinsă de alta pe un panou solar prin forma sa.

Celulele solare monocristaline au o structură omogenă; sunt realizate sub formă de pătrate cu colțuri tăiate. În schimb, elementele policristaline au o formă strict pătrată.

Policristalele sunt obținute prin răcirea treptată a siliciului topit. Această metodă este extrem de simplă, motiv pentru care astfel de fotocelule sunt ieftine.

Dar productivitatea lor în ceea ce privește generarea de energie electrică din razele solare depășește rar 15%. Acest lucru se datorează „impurității” plăcilor de siliciu rezultate și structurii lor interne. Aici, cu cât stratul de p-siliciu este mai pur, cu atât eficiența celulei solare din acesta este mai mare.

Puritatea monocristalelor în acest sens este mult mai mare decât cea a analogilor policristalini. Ele nu sunt făcute din cristal de siliciu topit, ci din cristal de siliciu solid cultivat artificial. Coeficientul de conversie fotoelectrică al unor astfel de celule solare ajunge deja la 20-22%.

Fotocelulele individuale sunt asamblate într-un modul comun pe un cadru de aluminiu, iar pentru a le proteja sunt acoperite deasupra cu sticlă durabilă, care nu interferează în niciun fel cu razele solare.

Stratul superior al plăcii fotocelule orientată spre soare este realizat din același siliciu, dar cu adaos de fosfor. Acesta din urmă va fi sursa de electroni în exces în sistemul de joncțiune pn.

O adevărată descoperire în domeniul energiei solare a fost dezvoltarea panourilor flexibile cu siliciu fotovoltaic amorf:

Principiul de funcționare al panoului solar

Când lumina soarelui cade pe o celulă foto, în ea sunt generate perechi electron-gaură neechilibrate. Electronii și găurile în exces sunt parțial transferate prin joncțiunea pn de la un strat al semiconductorului la altul.

Ca urmare, tensiunea apare în circuitul extern. În acest caz, la contactul stratului p se formează un pol pozitiv al sursei de curent și un pol negativ la stratul n.

Diferența de potențial (tensiune) dintre contactele fotocelulei apare ca urmare a unei modificări a numărului de „găuri” și de electroni de pe diferite părți ale joncțiunii p-n ca urmare a iradierii stratului n cu raze solare.

Fotocelulele conectate la o sarcină externă sub forma unei baterii formează un cerc vicios cu aceasta. Drept urmare, panoul solar funcționează ca un fel de roată de-a lungul căreia electronii „curg” împreună între proteine. Și bateria se încarcă treptat.

Convertoarele fotovoltaice standard din siliciu sunt celule cu o singură joncțiune.Fluxul de electroni în ele are loc doar printr-o joncțiune p-n cu o zonă a acestei tranziții limitată în energie fotonică.

Adică, fiecare astfel de fotocelulă este capabilă să genereze electricitate numai dintr-un spectru îngust de radiație solară. Toată cealaltă energie este irosită. De aceea eficiența FEP este atât de scăzută.

Pentru a crește eficiența celulelor solare, elementele semiconductoare din siliciu pentru acestea au început recent să fie realizate cu multijoncțiune (cascada). Există deja mai multe tranziții în noile celule solare. Mai mult, fiecare dintre ele din această cascadă este proiectată pentru propriul spectru de lumină solară.

Eficiența totală a conversiei fotonilor în curent electric pentru astfel de fotocelule crește în cele din urmă. Dar prețul lor este mult mai mare. Aici, fie ușurință de fabricație cu costuri reduse și eficiență scăzută, fie randamente mai mari cuplate cu costuri ridicate.

Panoul solar poate funcționa atât vara, cât și iarna (are nevoie de lumină, nu de căldură) - cu cât soarele strălucește mai puțin înnorat și mai luminos, cu atât panoul solar va genera mai mult curent electric

În timpul funcționării, fotocelula și întreaga baterie se încălzesc treptat. Toată energia care nu a fost folosită pentru a genera curent electric este transformată în căldură. Adesea, temperatura de pe suprafața panoului solar crește la 50-55 °C. Dar cu cât este mai mare, cu atât celula fotovoltaică funcționează mai puțin eficient.

Ca rezultat, același model de baterie solară generează mai puțin curent pe vreme caldă decât pe vreme rece. Fotocelulele prezintă eficiență maximă într-o zi senină de iarnă. Există doi factori în joc aici - mult soare și răcire naturală.

Mai mult, dacă zăpada cade pe panou, acesta va continua să genereze electricitate.În plus, fulgii de zăpadă nici nu vor avea timp să se întindă prea mult pe ei, topindu-se din cauza căldurii fotocelulelor încălzite.

Eficiența bateriei solare

O singură fotocelulă, chiar și la prânz pe vreme senină, produce foarte puțină energie electrică, suficientă doar pentru a funcționa o lanternă LED.

Pentru a crește puterea de ieșire, mai multe celule solare sunt combinate într-un circuit paralel pentru a crește tensiunea de curent continuu și într-un circuit în serie pentru a crește curentul.

Eficiența panourilor solare depinde de:

• temperatura aerului și a bateriei în sine;
• selectarea corectă a rezistenței la sarcină;
• unghiul de incidență al luminii solare;
• prezența/absența stratului antireflex;
• puterea fluxului luminos.

Cu cât temperatura de afară este mai scăzută, cu atât fotocelulele și bateria solară în ansamblu funcționează mai eficiente. Totul este simplu aici. Dar cu calculul sarcinii situația este mai complicată. Ar trebui selectat în funcție de curentul furnizat de panou. Dar valoarea sa variază în funcție de factorii meteorologici.

Panourile solare sunt produse cu o tensiune de ieșire care este un multiplu de 12 V - dacă este necesar să se furnizeze 24 V bateriei, atunci două panouri vor trebui conectate la aceasta în paralel.

Monitorizarea constantă a parametrilor unei baterii solare și ajustarea manuală a funcționării acesteia este problematică. Pentru aceasta este mai bine să folosiți controler de control, care regleaza automat setarile panoului solar pentru a obtine performante maxime si moduri optime de functionare din acesta.

Unghiul ideal de incidență a razelor solare pe o baterie solară este drept. Cu toate acestea, dacă abaterea este de 30 de grade față de perpendiculară, eficiența panoului scade cu doar aproximativ 5%.Dar cu o creștere suplimentară a acestui unghi, o proporție din ce în ce mai mare a radiației solare va fi reflectată, reducând astfel eficiența celulei solare.

Dacă bateria este necesară pentru a produce energie maximă vara, atunci ar trebui să fie orientată perpendicular pe poziția medie a Soarelui, pe care o ocupă la echinocții de primăvară și toamnă.

Pentru regiunea Moscovei, aceasta este de aproximativ 40-45 de grade față de orizont. Dacă este nevoie de maxim iarna, atunci panoul trebuie așezat într-o poziție mai verticală.

Și încă un lucru - praful și murdăria reduc foarte mult performanța fotocelulelor. Fotonii pur și simplu nu ajung la ei printr-o astfel de barieră „murdară”, ceea ce înseamnă că nu există nimic de transformat în electricitate. Panourile trebuie spălate în mod regulat sau așezate astfel încât praful să fie spălat de ploaie singur.

Unele panouri solare au lentile încorporate pentru a concentra radiația pe celula solară. Pe vreme senină, acest lucru duce la creșterea eficienței. Cu toate acestea, în norii grei, aceste lentile provoacă doar rău.

Dacă un panou convențional într-o astfel de situație continuă să genereze curent, deși în volume mai mici, atunci modelul de lentile va înceta să funcționeze aproape complet.

În mod ideal, soarele ar trebui să lumineze uniform o baterie de fotocelule. Dacă una dintre secțiunile sale se dovedește a fi întunecată, atunci celulele solare neluminate se transformă într-o încărcătură parazită. Nu numai că nu generează energie într-o astfel de situație, dar o iau și din elementele de lucru.

Panourile trebuie instalate astfel încât să nu existe copaci, clădiri sau alte obstacole în calea razelor solare.

Schema alimentării cu energie solară a casei

Sistemul de alimentare cu energie solară include:

1. Panouri solare.
2. Controlor.
3. baterii.
4. Invertor (transformator).

Controlerul din acest circuit protejează atât panourile solare, cât și bateriile. Pe de o parte, previne curgerea curenților inversi pe timp de noapte și pe vreme înnorată, iar pe de altă parte, protejează bateriile de încărcarea/descărcarea excesivă.

Bateriile reîncărcabile pentru panouri solare ar trebui să fie selectate la fel ca vârstă și capacitate, altfel încărcarea/descărcarea se va produce neuniform, ceea ce va duce la o reducere bruscă a duratei de viață a acestora.

Pentru a transforma curentul continuu de 12, 24 sau 48 volți în curent alternativ de 220 volți aveți nevoie invertor. Bateriile auto nu sunt recomandate pentru utilizare într-un astfel de circuit din cauza incapacității lor de a rezista la reîncărcări frecvente. Cel mai bine este să cheltuiți bani și să cumpărați baterii speciale cu heliu AGM sau OPzS inundate.

Concluzii și video util pe această temă

Principii de funcționare și diagrame de conectare a panourilor solare nu prea greu de înțeles. Și cu materialele video pe care le-am adunat mai jos, va fi și mai ușor de înțeles toate complexitățile funcționării și instalării panourilor solare.

Este accesibil și de înțeles cum funcționează o baterie solară fotovoltaică, în toate detaliile sale:

Vedeți cum funcționează panourile solare în următorul videoclip:

Asamblare DIY panou solar din fotocelule:

Fiecare element din sistem de energie solară cabana trebuie aleasă corect. Pierderile de putere inevitabile apar în baterii, transformatoare și controler. Și trebuie reduse la minimum, altfel eficiența deja destul de scăzută a panourilor solare va fi redusă la zero.

Ați avut întrebări în timp ce studiați materialul? Sau cunoașteți informații valoroase despre subiectul articolului și le puteți împărtăși cititorilor noștri? Vă rugăm să lăsați comentariile dumneavoastră în blocul de mai jos.