Prinsippet for drift av et solcellebatteri: hvordan et solcellepanel fungerer og fungerer

Å effektivt konvertere frie solstråler til energi som kan brukes til å drive hjem og andre fasiliteter er den elskede drømmen til mange grønn energi-apologeter.

Men prinsippet om drift av solbatteriet og dets effektivitet er slik at det ikke er nødvendig å snakke om den høye effektiviteten til slike systemer ennå. Det ville vært fint å ha din egen ekstra strømkilde. Er det ikke? Dessuten, selv i dag i Russland, ved hjelp av solcellepaneler, får et betydelig antall private husholdninger med hell "gratis" strøm. Vet du fortsatt ikke hvor du skal begynne?

Nedenfor vil vi fortelle deg om design og driftsprinsipper for et solcellepanel; du vil lære hva effektiviteten til et solcellesystem avhenger av. Og videoene som er lagt ut i artikkelen vil hjelpe deg med å sette sammen et solcellepanel fra fotoceller med egne hender.

Solcellepaneler: terminologi

Det er ganske mange nyanser og forvirring i temaet "solenergi". Det er ofte vanskelig for nybegynnere å forstå alle de ukjente begrepene med det første. Men uten dette er det urimelig å engasjere seg i solenergi, kjøpe utstyr for å generere "solstrøm".

Uvitende kan du ikke bare velge feil panel, men også bare brenne det når du kobler det til eller trekke ut for lite energi fra det.

Først bør du forstå eksisterende typer utstyr for solenergi. Solcellepaneler og solfangere er to fundamentalt forskjellige enheter. Begge konverterer energien til solens stråler.

Men i det første tilfellet mottar forbrukeren elektrisk energi ved utgangen, og i det andre, termisk energi i form av et oppvarmet kjølevæske, dvs. solcellepaneler brukes til oppvarming av hjemmet.

Maksimal avkastning fra et solcellepanel kan kun oppnås ved å vite hvordan det fungerer, hvilke komponenter og sammenstillinger det består av, og hvordan det hele er koblet riktig

Den andre nyansen er konseptet med begrepet "solbatteri". Vanligvis refererer ordet "batteri" til en slags elektrisk lagringsenhet. Eller en banal varmeradiator kommer til tankene. Men når det gjelder solcellebatterier, er situasjonen radikalt annerledes. De samler ikke opp noe i seg selv.

Solcellepanelet genererer en konstant elektrisk strøm. For å konvertere den til variabel (brukes i hverdagen), må en omformer være til stede i kretsen

Solcellepaneler er designet utelukkende for å generere elektrisk strøm. Det akkumuleres på sin side for å forsyne huset med strøm om natten, når solen går under horisonten, allerede i batteriene som i tillegg er tilstede i anleggets energiforsyningskrets.

Batteriet her er ment i sammenheng med et visst sett med lignende komponenter satt sammen til en enkelt helhet. Faktisk er det bare et panel av flere identiske fotoceller.

Den indre strukturen til et solcellebatteri

Gradvis blir solcellepaneler billigere og mer effektive.De brukes nå til å lade opp batterier i gatelykter, smarttelefoner, elbiler, private hjem og på satellitter i verdensrommet. De begynte til og med å bygge fullverdige solkraftverk (SPP) med store generasjonsvolum.

Et solcellebatteri består av mange fotoceller (fotoelektriske omformere) som omdanner energien til fotoner fra solen til elektrisitet

Hvert solcellebatteri er utformet som en blokk av et visst antall moduler, som kombinerer halvlederfotoceller koblet i serie. For å forstå prinsippene for drift av et slikt batteri, er det nødvendig å forstå driften av denne siste koblingen i solcellepanelenheten, laget på grunnlag av halvledere.

Typer fotocellekrystaller

Det er et stort antall FEP-alternativer laget av forskjellige kjemiske elementer. De fleste av dem er imidlertid utviklinger i de innledende stadiene. Foreløpig er det i dag kun paneler laget av silisiumbaserte solceller som produseres i industriell skala.

Silisiumhalvledere brukes i produksjonen av solceller på grunn av deres lave kostnader; de kan ikke skryte av spesielt høy effektivitet

En typisk fotocelle i et solcellepanel er en tynn skive av to lag silisium, som hver har sine fysiske egenskaper. Dette er en klassisk halvleder-p-n-kryss med elektron-hull-par.

Når fotoner treffer den fotovoltaiske cellen mellom disse halvlederlagene, på grunn av krystallens inhomogenitet, dannes en portfoto-EMF, noe som resulterer i en potensialforskjell og en elektronstrøm.

Silisiumskiver av solceller er forskjellige i produksjonsteknologi i:

1. Monokrystallinsk.
2. Polykrystallinsk.

De førstnevnte har en høyere effektivitet, men kostnadene for produksjonen deres er høyere enn for sistnevnte. Eksternt kan ett alternativ skilles fra et annet på et solcellepanel ved sin form.

Monokrystallinske solceller har en homogen struktur, de er laget i form av firkanter med kuttede hjørner. Derimot har polykrystallinske elementer en strengt firkantet form.

Polykrystaller oppnås ved gradvis avkjøling av smeltet silisium. Denne metoden er ekstremt enkel, og det er derfor slike fotoceller er rimelige.

Men deres produktivitet når det gjelder å generere elektrisitet fra solstråler overstiger sjelden 15 %. Dette skyldes "urenheten" til de resulterende silisiumplatene og deres indre struktur. Her, jo renere p-silisiumlaget er, desto høyere effektivitet har solcellen fra det.

Renheten til enkeltkrystaller i denne forbindelse er mye høyere enn for polykrystallinske analoger. De er ikke laget av smeltet, men av kunstig dyrket solid silisiumkrystall. Den fotoelektriske konverteringskoeffisienten til slike solceller når allerede 20-22%.

Individuelle fotoceller er satt sammen til en felles modul på en aluminiumsramme, og for å beskytte dem er de dekket på toppen med slitesterkt glass, som ikke på noen måte forstyrrer solens stråler

Det øverste laget av fotocelleplaten som vender mot solen er laget av samme silisium, men med tilsetning av fosfor. Det er sistnevnte som vil være kilden til overflødige elektroner i pn-krysssystemet.

Et reelt gjennombrudd innen solenergi var utviklingen av fleksible paneler med amorft fotovoltaisk silisium:

Driftsprinsipp for solcellepanel

Når sollys faller på en fotocelle, genereres ikke-likevektselektron-hullpar i den. Overskytende elektroner og hull overføres delvis gjennom pn-overgangen fra ett lag av halvlederen til et annet.

Som et resultat vises spenning i den eksterne kretsen. I dette tilfellet dannes en positiv pol til strømkilden ved kontakten til p-laget, og en negativ pol ved n-laget.

Potensialforskjellen (spenningen) mellom kontaktene til fotocellen vises på grunn av en endring i antall "hull" og elektroner på forskjellige sider av p-n-krysset som et resultat av bestråling av n-laget med solstråler

Fotoceller koblet til en ekstern belastning i form av et batteri danner en ond sirkel med den. Som et resultat fungerer solcellepanelet som et slags hjul langs hvilke elektroner "løper" sammen mellom proteiner. Og batteriet lades gradvis opp.

Standard fotovoltaiske omformere av silisium er celler med ett kryss.Strømmen av elektroner inn i dem skjer bare gjennom ett p-n-kryss med en sone med denne overgangen begrenset i fotonenergi.

Det vil si at hver slik fotocelle er i stand til å generere elektrisitet bare fra et smalt spektrum av solstråling. All annen energi er bortkastet. Det er derfor effektiviteten til FEP er så lav.

For å øke effektiviteten til solceller har silisiumhalvlederelementer for dem nylig begynt å bli multijunction (kaskade). Det er allerede flere overganger i de nye solcellene. Dessuten er hver av dem i denne kaskaden designet for sitt eget spekter av sollys.

Den totale effektiviteten ved å konvertere fotoner til elektrisk strøm for slike fotoceller øker til slutt. Men prisen deres er mye høyere. Her enten enkel produksjon med lav kostnad og lav effektivitet, eller høyere avkastning kombinert med høye kostnader.

Solcellepanelet kan fungere både sommer og vinter (det trenger lys, ikke varme) - jo mindre overskyet og jo sterkere solen skinner, jo mer elektrisk strøm genererer solcellepanelet

Under drift varmes fotocellen og hele batteriet gradvis opp. All energien som ikke ble brukt til å generere elektrisk strøm, omdannes til varme. Ofte stiger temperaturen på overflaten av solcellepanelet til 50–55 °C. Men jo høyere den er, jo mindre effektivt fungerer solcellecellen.

Som et resultat genererer samme modell av solcellebatteri mindre strøm i varmt vær enn i kaldt vær. Fotoceller viser maksimal effektivitet på en klar vinterdag. Det er to faktorer som spiller inn her – mye sol og naturlig avkjøling.

Dessuten, hvis snø faller på panelet, vil det fortsatt generere strøm.Dessuten vil snøflakene ikke engang ha tid til å ligge mye på det, etter å ha smeltet fra varmen fra de oppvarmede fotocellene.

Effektivitet av solcellebatterier

Én fotocelle, selv ved middagstid i klart vær, produserer svært lite elektrisitet, bare tilstrekkelig til å betjene en LED-lommelykt.

For å øke utgangseffekten kombineres flere solceller i en parallellkrets for å øke likespenningen og i en seriekrets for å øke strømmen.

Effektiviteten til solcellepaneler avhenger av:

• temperaturen på luften og selve batteriet;
• riktig valg av belastningsmotstand;
• innfallsvinkel for sollys;
• tilstedeværelse/fravær av anti-reflekterende belegg;
• lysstrøm.

Jo lavere temperatur ute er, jo mer effektive fungerer fotocellene og solbatteriet som helhet. Alt er enkelt her. Men med lastberegning er situasjonen mer komplisert. Det bør velges basert på strømmen levert av panelet. Men verdien varierer avhengig av værfaktorer.

Solcellepaneler produseres med en utgangsspenning som er et multiplum av 12 V - hvis 24 V må tilføres batteriet, må to paneler kobles til det parallelt

Det er problematisk å kontinuerlig overvåke parametrene til et solbatteri og manuelt justere driften. For dette er det bedre å bruke kontrollkontroller, som automatisk justerer innstillingene til solcellepanelet for å oppnå maksimal ytelse og optimale driftsmoduser fra det.

Den ideelle innfallsvinkelen for solstrålene på et solcellebatteri er rett. Men hvis avviket er innenfor 30 grader fra perpendikulæren, synker effektiviteten til panelet med bare ca. 5 %.Men med en ytterligere økning i denne vinkelen vil en økende andel av solstrålingen reflekteres, og dermed redusere effektiviteten til solcellen.

Hvis batteriet er nødvendig for å produsere maksimal energi om sommeren, bør det være orientert vinkelrett på den gjennomsnittlige posisjonen til solen, som den inntar på jevndøgn om våren og høsten.

For Moskva-regionen er dette omtrent 40–45 grader mot horisonten. Hvis maksimum er nødvendig om vinteren, bør panelet plasseres i en mer vertikal posisjon.

Og en ting til - støv og skitt reduserer ytelsen til fotoceller betydelig. Fotoner når dem rett og slett ikke gjennom en slik "skitten" barriere, noe som betyr at det ikke er noe å konvertere til elektrisitet. Panelene skal vaskes regelmessig eller plasseres slik at støvet vaskes av av regn på egen hånd.

Noen solcellepaneler har innebygde linser for å konsentrere strålingen til solcellen. I klart vær fører dette til økt effektivitet. Men i tunge skyer forårsaker disse linsene bare skade.

Hvis et konvensjonelt panel i en slik situasjon fortsetter å generere strøm, om enn i mindre volumer, vil linsemodellen slutte å fungere nesten helt.

Solen bør ideelt sett belyse et batteri av fotoceller jevnt. Hvis en av seksjonene viser seg å være mørklagt, blir de uopplyste solcellene til en parasittisk belastning. Ikke bare genererer de ikke energi i en slik situasjon, men de tar den også bort fra arbeidselementene.

Panelene skal monteres slik at det ikke er trær, bygninger eller andre hindringer i veien for solens stråler.

Husets solenergiforsyningsdiagram

Solenergisystemet inkluderer:

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

Kontrolleren i denne kretsen beskytter både solcellepaneler og batterier. På den ene siden forhindrer den flyten av omvendte strømmer om natten og i overskyet vær, og på den andre siden beskytter den batteriene mot overdreven ladning/utladning.

Oppladbare batterier for solcellepaneler bør velges likt i alder og kapasitet, ellers vil lading/utlading skje ujevnt, noe som vil føre til en kraftig reduksjon i levetiden.

For å transformere likestrøm på 12, 24 eller 48 volt til vekselstrøm 220 volt trenger du inverter. Bilbatterier anbefales ikke for bruk i en slik krets på grunn av deres manglende evne til å tåle hyppig opplading. Det er best å bruke penger og kjøpe spesielle helium AGM eller oversvømmede OPzS-batterier.

Konklusjoner og nyttig video om temaet

Driftsprinsipper og koblingsskjemaer for solcellepaneler ikke så vanskelig å forstå. Og med videomaterialet vi har samlet nedenfor, vil det være enda enklere å forstå alle vanskelighetene ved funksjon og installasjon av solcellepaneler.

Det er tilgjengelig og forståelig hvordan et solcellebatteri fungerer, i alle detaljer:

Se hvordan solcellepaneler fungerer i følgende video:

DIY solcellepanelmontering fra fotoceller:

Hvert element i solenergisystem hytte må velges riktig. Uunngåelige strømtap oppstår i batteriene, transformatorene og kontrolleren. Og de må reduseres til et minimum, ellers vil den allerede ganske lave effektiviteten til solcellepaneler reduseres til null.

Hadde du spørsmål mens du studerte materialet? Eller kjenner du verdifull informasjon om emnet for artikkelen og kan dele den med våre lesere? Legg igjen dine kommentarer i blokken nedenfor.