Principiul de funcționare a panourilor solare. Cum funcționează bateriile solare: principiu, design, materiale. Eficiența bateriei solare

S-ar părea că recent bateria solară a fost puternic asociată cu nave spațiale, stații orbitale și rover-uri lunare. Și acum, un dispozitiv capabil să extragă electricitate din lumină poate fi găsit în orice calculator. Mai mult, în țările bogate în soare, cu veri fierbinți și ierni blânde (oamenii de știință le numesc „țări cu insolație mare”), precum Italia, Spania, Portugalia, statele sudice ale SUA etc. Energia solară este o modalitate semnificativă de economisire a energiei electrice și a energiei termice. Mai mult, această economisire are loc atât din inițiativa privată a cetățenilor, cât și sub forma unor reglementări guvernamentale obligatorii, precum în Spania.

Încercările de a face ca energia soarelui să lucreze singure au fost făcute de omenire de mult timp, așa că, potrivit legendei, Arhimede a ars flota romană, ordonând multe oglinzi (într-o altă versiune - scuturi lustruite până la strălucire) pentru a concentra lumina soarelui asupra pânzele galerelor romane. Dar încercările de a valorifica energia soarelui au dat rezultate notabile abia în ultimul secol. Care sunt modalitățile de utilizare a energiei solare?

Cum să obțineți electricitate

Cea mai evidentă modalitate este de a transforma energia luminoasă a soarelui în căldură. Strict vorbind, aceasta nici măcar nu poate fi numită o transformare, deoarece lumina și căldura au aceeași natură și diferă doar prin frecvență, mai corect ar fi să vorbim despre colectarea căldurii. Pentru a colecta căldura solară, dispozitivele sunt numite - („colector” înseamnă literalmente colector). Principiul funcționării lor este extrem de simplu - lichidul de răcire (apa, mai rar aer) este încălzit într-un radiator din material care absorb căldura. Astfel de dispozitive sunt utilizate pe scară largă pentru alimentarea cu apă caldă a caselor private.

Un alt mod interesant de a folosi energia celei mai apropiate stele ne este sugerat de natura. De-a lungul a milioane de ani de evoluție, plantele au învățat să transforme energia soarelui în energia legăturilor chimice, sintetizând un compus complex - glucoza - din substanțe simple. Oricine nu a sărit peste botanica la școală, desigur, a ghicit că vorbim despre fotosinteză. Dar nu toată lumea s-a gândit la esența energetică a acestui proces, care constă tocmai în acumularea energiei solare și utilizarea ulterioară a acesteia (inclusiv iarna) în scopuri „personale”. Adică vorbim despre bioenergie. Adevărata, și nu cea despre care vorbesc magicienii de acasă. Metoda de utilizare a energiei solare conform acestui principiu de funcționare încă așteaptă aplicarea sa în tehnologia artificială.

După cum am menționat mai sus, cel mai simplu mod de a utiliza energia solară în scopuri personale este colectarea energiei termice. Cu toate acestea, „cel mai ușor” nu înseamnă întotdeauna „cel mai bun”. Faptul este că energia termică este, s-ar putea spune, un „produs perisabil”. Încercați să „conserviți” căldura sau să o transferați pe distanțe lungi. Cel mai probabil, costurile vor acoperi toate beneficiile posibile. Cel mai convenabil tip de energie pentru acumulare și transport este electricitatea. Poate fi asamblat in baterii fara probleme sau transmis prin fire pana in locul unde va functiona, cu pierderi minime. Acest lucru duce la a treia modalitate, cea mai comună, de a folosi lumina solară - transformarea acesteia în energie electrică.

Cum functioneaza

Transformarea luminii solare are loc în baterii (adică în grupuri conectate în serie) de fotocelule, care au dobândit denumirea de „baterii solare”. Pe ce principiu funcționează panourile solare?

Inima unei fotocelule este un cristal de siliciu.Întâlnim siliciu (mai precis, oxizii săi) în fiecare zi - acesta este nisipul familiar. Astfel, putem spune că un cristal de siliciu este un grăunte uriaș de nisip crescut într-un laborator. Cristalele au formă de cub și sunt tăiate în platină grosime de două sute de microni (aproximativ de trei până la patru ori grosimea unui păr uman).

Pe o parte se aplică un strat subțire de fosfor pe o placă de siliciu și pe cealaltă parte un strat subțire de bor. Acolo unde siliciul este în contact cu borul, apare un exces de electroni liberi, iar acolo unde siliciul este în contact cu fosforul, dimpotrivă, electronii sunt insuficienti, apar așa-numitele „găuri”. Joncțiunea mediilor cu exces și deficiență de electroni se numește joncțiune p-n în fizică. Fotonii de lumină bombardează suprafața plăcii și elimină electronii de fosfor în exces la electronii de bor lipsă. Mișcarea ordonată a electronilor este curent electric. Tot ce rămâne este să-l „asamblezi” trecând șine metalice prin placă. Așa funcționează în principiu o fotocelulă de siliciu.

Puterea unei plăci fotocelule este destul de modestă, este suficientă doar pentru a acționa un bec de lanternă. Prin urmare, elementele individuale sunt asamblate în sisteme de baterii. Teoretic, este posibilă asamblarea unei baterii de orice putere din elemente. Bateria este așezată pe un substrat metalic, întărit pentru a crește rezistența și acoperită cu sticlă. Este important ca bateria solară să transforme nu numai partea vizibilă a spectrului solar în electricitate, ci și partea ultravioletă a spectrului solar, astfel încât sticla care acoperă bateria trebuie să transmită radiații ultraviolete.

Un avantaj important al unei baterii solare este că folosește lumină, nu căldură, prin urmare, spre deosebire de un colector, o baterie solară poate funcționa iarna, atâta timp cât norii nu blochează lumina soarelui.

Există proiecte pentru a construi câmpuri uriașe de panouri solare în Arctica și Antarctica care vor stoca energie în timpul zilei polare de șase luni, care are loc în nord vara și în sud iarna, ceea ce înseamnă că două centrale solare gigantice nu vor fi niciodată. inactiv în același timp.

Deseori scriem despre diverse tipuri de energie alternativă, inclusiv solară. Acest articol începe o serie de articole despre principiile de funcționare ale diferitelor dispozitive care funcționează pe energie regenerabilă. Iar primul lucru care va fi luat în considerare sunt panourile solare. Energia solară a fost folosită recent peste tot: la iluminarea naturală a încăperilor, la încălzirea apei, la uscare și uneori chiar la gătit. Cu toate acestea, cea mai importantă utilizare a energiei solare este poate generarea de electricitate. Iar elementul principal al unei astfel de generații este o baterie solară!

Structura panourilor solare

O baterie solară este formată din fotocelule conectate în serie și paralel. Toate fotocelulele sunt amplasate pe un cadru din materiale neconductoare. Această configurație vă permite să asamblați celule solare cu caracteristicile necesare (curent și tensiune). În plus, acest lucru face posibilă înlocuirea fotocelulelor defecte cu o simplă înlocuire.

Principiul de funcționare

În general, această metodă de generare a energiei electrice ar trebui să fie cea mai eficientă, deoarece este într-o singură etapă. În comparație cu alte tehnologii de conversie a energiei solare prin tranziție termodinamică (Raze -> Încălzirea apei -> Abur -> Rotația turbinei -> Electricitate), se pierde mai puțină energie în tranziții.

Structura unei fotocelule

O fotocelulă pe bază de semiconductor este alcătuită din două straturi cu conductivități diferite. Contactele sunt lipite de straturi pe diferite părți, care sunt folosite pentru a se conecta la un circuit extern. Rolul catodului este jucat de un strat cu n-conductivitate (conductivitate electronică), rolul anodului este jucat de stratul p (conductivitatea orificiului).

Curentul din stratul n este creat de mișcarea electronilor, care sunt „eliminați” atunci când lumina îi lovește din cauza efectului fotoelectric. Curentul din stratul p este creat de „mișcarea găurilor”. O „găură” este un atom care a pierdut un electron în consecință, saltul electronilor de la „gaură” la „gaură” creează „mișcarea” găurilor, deși „găurile” în sine, desigur, nu se mișcă în spațiu; .

La joncțiunea straturilor cu conductivitate n și p, se creează o joncțiune p-n. Se dovedește a fi un fel de diodă care poate crea o diferență de potențial datorită pătrunderii razelor de lumină.

Mecanismul fizic de acțiune

Diferența de potențial (și, în consecință, fem) pe care o poate crea o fotocelulă depinde de mulți factori: intensitatea radiației solare, aria fotocelulei, eficiența structurii și temperatura (când este încălzită, conductivitatea scade. ).

Din ce sunt alcătuite fotocelulele?

Prima fotocelulă din lume a apărut în 1883 în laboratorul lui Charles Fritts. Era făcut din seleniu placat cu aur. Din păcate, acest set de materiale a arătat rezultate slabe - aproximativ 1% eficiență.

O revoluție în utilizarea fotocelulelor a avut loc atunci când prima celulă de siliciu a fost creată în intestinele laboratorului Bell Telephone. Compania avea nevoie de o sursă de energie electrică pentru centralele telefonice și s-ar putea spune că este prima companie care a folosit o sursă alternativă de energie solară.

Siliciul este încă principalul material pentru producția de celule solare. În general, siliciul (Siliciu, Siliciu) este al doilea element cel mai comun de pe Pământ, rezervele sale sunt uriașe. Cu toate acestea, există o mare problemă în utilizarea sa industrială - purificarea sa. Acest proces necesită multă muncă și este costisitor, așa că siliciul pur este scump. Acum este în curs de căutare analogi care ar fi la fel de eficienți ca siliciul. Compușii de cupru, indiu, seleniu, galiu și cadmiu, precum și celulele solare organice, sunt considerați promițători.

Baterii solare (ansambluri)

Cu toate acestea, diferența de potențial creată de o singură celulă solară este mică pentru aplicații industriale. Pentru a putea folosi celulele solare pentru alimentarea dispozitivelor, acestea sunt conectate între ele. Aceasta produce celule solare (ansambluri solare, module solare). În plus, fotocelulele sunt acoperite cu diferite straturi de protecție din sticlă, plastic și diverse filme. Acest lucru se face pentru a proteja elementul fragil.

Principala caracteristică de funcționare a unei baterii solare este puterea de vârf, care este exprimată în wați (W, W). Această caracteristică arată puterea de ieșire a bateriei în condiții optime: radiație solară 1 kW/m 2, temperatura ambiantă 25 o C, lățimea spectrului solar 45 o (AM1.5). În condiții normale, este extrem de rar să se obțină astfel de indicatori, iluminarea este mai scăzută, iar modulul se încălzește mai mult (până la 60-70 de grade).

Prin conectarea fotocelulelor în serie creștem diferența de potențial, în timp ce conectând în paralel creștem curentul. Astfel, prin combinarea conexiunilor, puteți obține parametrii necesari pentru curent și tensiune și, prin urmare, pentru putere. În plus, nu numai fotocelulele dintr-o baterie solară, ci și bateriile solare în ansamblu pot fi conectate în serie sau în paralel.

În ultimii ani, așa-numita „energie alternativă” a devenit din ce în ce mai populară. O atenție deosebită este acordată utilizării radiației solare. Acest lucru este destul de natural, deoarece dacă creați un element care este capabil să transforme razele de lumină în electricitate, puteți obține o sursă de energie inepuizabilă gratuită. Și un astfel de element a fost creat. A fost numită „fotocelulă solară” sau „baterie solară”, iar modul în care funcționează o baterie solară este destul de simplu de înțeles.

Principiul de funcționare

Principalul lucru este să nu confundați bateriile fotovoltaice cu colectoarele solare (ambele sunt adesea numite „panouri solare”). Dacă principiul de funcționare al colectoarelor se bazează pe încălzirea lichidului de răcire, atunci fotocelulele produc direct electricitate. Munca lor se bazează pe efectul fotoelectric, care constă în generarea de curent sub influența luminii solare în materialele semiconductoare.

Semiconductorii sunt substanțe ai căror atomi fie conțin un număr în exces de electroni (tip n), fie, dimpotrivă, îi lipsesc (tip p). Și acele zone ale structurii elementelor p în care electronii ar putea fi localizați sunt numite „găuri”. În consecință, o fotocelulă bazată pe semiconductori este formată din două straturi cu diferite tipuri de conductivitate.

Cum funcționează celulele solare cu această structură? În felul următor. Stratul interior al elementului este format dintr-un p-semiconductor, cel exterior, mult mai subțire, este format dintr-un n-semiconductor. La limita straturilor apare așa-numita „zonă de tranziție p-n”, formată ca urmare a formării sarcinilor volumetrice pozitive în stratul n și a celor negative în stratul p.

În acest caz, în zona de tranziție apare o anumită barieră energetică, cauzată de diferența de potențiale de sarcină. Împiedică pătrunderea purtătorilor de sarcină majori, dar permite liber celor minori să treacă și în direcții opuse. Sub influența luminii solare, unii fotoni sunt absorbiți de suprafața elementului și generează perechi suplimentare „găuri-electron”. Adică, electronii și găurile se deplasează de la un semiconductor la altul, dându-le o sarcină suplimentară negativă sau pozitivă. În acest caz, diferența de potențial inițială dintre straturile n și p scade și se generează un curent electric în circuitul extern.

Caracteristicile structurii

Multe fotocelule moderne au o singură joncțiune p-n. În acest caz, purtătorii de sarcină cu transfer liber sunt generați numai de acei fotoni a căror energie este fie mai mare decât sau egală cu lățimea „decalajului” la limita de tranziție. Aceasta înseamnă că pur și simplu nu sunt utilizați fotonii cu niveluri mai scăzute de energie, ceea ce, la rândul său, reduce semnificativ eficiența celulei. Pentru a depăși această limitare, au fost create fotostructuri cu mai multe straturi (de obicei cu patru straturi).

Acestea permit utilizarea unei părți semnificativ mai mari a spectrului solar și au o productivitate mai mare. Mai mult, fotocelulele sunt poziționate în așa fel încât razele să lovească mai întâi joncțiunea cu cea mai largă bandgap. În acest caz, fotonii mai „intensivi de energie” sunt absorbiți, în timp ce fotonii cu energie mai puțină călătoresc mai adânc și stimulează alte elemente.

Ce tipuri de panouri solare există?

Celulele solare, al căror principiu de funcționare se bazează pe efectul fotoelectric, au fost create de mult timp. Principala dificultate în producerea lor este selecția materialelor capabile să genereze un curent suficient de puternic. Primele experimente au fost efectuate cu celule de seleniu, dar eficiența acestora a fost extrem de scăzută (aproximativ 1%). În zilele noastre, celulele solare folosesc în principal siliciu, productivitatea unor astfel de dispozitive este de aproximativ 22%. În plus, noi probe de celule sunt dezvoltate în mod constant (de exemplu, folosind arseniura de galiu sau indiu) cu o eficiență mai mare. Eficiența maximă a panourilor solare astăzi este de 44,7%.

Dar astfel de elemente sunt foarte scumpe și până acum sunt produse doar în condiții de laborator. Celulele pe bază de siliciu monocristalin sau policristalin, precum și elemente de peliculă subțire, au devenit larg răspândite. Fotobateriile pe bază de monocristale sunt mai scumpe, dar au performanțe mai mari, în timp ce policristalele sunt mai ieftine, dar datorită structurii lor eterogene, sunt mai puțin eficiente. În producerea celulelor cu peliculă subțire, nu sunt folosite cristale, ci straturi de siliciu depuse pe un substrat flexibil.

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.

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 energia 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.

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

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.

A doua nuanță este conceptul termenului „baterie solară”. De obicei, cuvântul „baterie” se referă la un fel de dispozitiv de stocare electric. Sau imi vine in minte un radiator de incalzire 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 fotovoltaice fotovoltaice) care transformă energia fotonilor de la soare în energie electrică

Fiecare baterie solară este proiectată 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, 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.

Principiul de funcționare al panoului solar

Când lumina soarelui cade pe o celulă foto, în ea se generează 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 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. Ca rezultat, 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 mai multe joncțiuni (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.

Bateria solară 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 să fie 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 a face acest lucru, este mai bine să utilizați, care ajustează automat setările panoului solar pentru a obține performanțe maxime și moduri de funcționare optime 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 singur de ploaie.

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.

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.

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 încărcare/descărcare 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 drastică 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. Bateriile auto nu sunt recomandate pentru utilizare într-un astfel de circuit din cauza incapacității lor de a rezista la reîncărcare frecventă. 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

Principiile de funcționare nu sunt 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. Sistemul de alimentare cu energie solară pentru cabană trebuie selectat 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.

Astăzi toată lumea cunoaște conceptul de energie alternativă. Nu mai este un secret faptul că rezervele de petrol, gaze și alte tipuri de combustibil de pe Pământ nu sunt nelimitate, așa că oamenii de știință și inginerii continuă să caute modalități de a utiliza eficient resursele regenerabile pentru a produce electricitate atât de necesară. În ultimii ani, celulele solare au încetat să mai fie exotice, folosite doar în nave spațiale au devenit larg răspândite pentru alimentarea clădirilor, mașinilor, alimentarea autonomă a electrocasnicelor mici și electronice. Deoarece Soarele este o sursă uriașă de energie care este disponibilă pentru toată lumea, este util să știi cum să transformi lumina în electricitate sau cum funcționează un panou solar.

Principiul de funcționare al unei baterii solare

Acest dispozitiv, numit și panou solar, este format dintr-un set de convertoare fotoelectrice conectate într-un anumit mod, care includ două straturi de semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate - p și n. Siliciul cu anumite impurități este cel mai adesea folosit ca substanță cu astfel de proprietăți. Când i se adaugă fosfor, în structura rezultată apare un exces de electroni (sarcină negativă) și se formează un semiconductor de tip n, iar când se adaugă bor, se formează un semiconductor de tip p, caracterizat prin lipsa de electroni sau prezența găurilor. Dacă plasați aceste straturi între doi electrozi așa cum se arată în imagine și oferiți acces ușor la cel de sus, veți obține un convertor fotoelectric.

Când un element este iluminat, acesta absoarbe o parte din energia incidentă, rezultând o generare suplimentară de găuri și electroni. Câmpul electric existent în joncțiunea p-n îl mută pe primul în regiunea p, iar pe cel din urmă în regiunea n. În acest caz, sarcinile pozitive se acumulează pe electrodul inferior, sarcinile negative se acumulează pe electrodul superior, adică apare o diferență de potențial - o tensiune constantă U. Astfel, convertorul fotoelectric funcționează ca o sursă de forță electromotoare (EMF) - o baterie mica. Dacă la acesta este conectată o sarcină, în circuit va apărea un curent I, a cărui valoare va depinde de tipul de fotocelulă, de dimensiunea acesteia, de intensitatea radiației solare și de rezistența consumatorilor conectați. Emf-ul bateriei scade odată cu creșterea temperaturii cu aproximativ 0,4%/°C. Prin urmare, pentru o funcționare eficientă și pe termen lung, panoul trebuie răcit folosind ventilatoare sau sisteme de apă.

Cel mai important parametru al unei surse de energie solară este puterea P=UI. Desigur, curentul și tensiunea obținute ca urmare a funcționării unei celule foto sunt mici, așa că în baterie sunt combinate într-un anumit mod pentru a crește acești indicatori. Dacă convertoarele sunt conectate în serie, tensiunea totală de ieșire va fi proporțională cu numărul lor. Conectarea în paralel a elementelor individuale duce la o creștere a curentului. Prin combinarea ambelor tipuri de conexiuni într-un anumit mod, așa cum se arată în imagine, se obțin parametrii de ieșire necesari ai bateriei și, prin urmare, puterea acesteia.

Când aprindeți o baterie, nu toată energia radiației solare este convertită în electricitate - o parte din ea este reflectată și, de asemenea, cheltuită pentru încălzirea elementelor. Majoritatea panourilor fotovoltaice produse comercial au o eficiență de 9-24%. De asemenea, este important să știm cum funcționează panoul solar în condițiile în care unele dintre celule sunt întunecate. În acest caz, convertoarele care nu sunt expuse la lumina soarelui se vor transforma în consumatori de energie și se vor încălzi. Prin urmare, grupurile de fotocelule sunt șuntate cu diode cu rezistență scăzută, împiedicând curentul să circule prin componentele întunecate ale bateriei. Panoul va funcționa cu mai puțină putere.

Conversia energiei obținute cu ajutorul panourilor solare

Celulele fotovoltaice produc tensiune constantă, dar multe tipuri de echipamente sunt alimentate cu tensiune alternativă, ceea ce necesită prezența convertoarelor adecvate. În plus, panourile solare produc energie electrică în timpul zilei, iar consumul acesteia are loc non-stop, prin urmare, sunt necesare componente suplimentare care să stocheze și să distribuie energia. Să luăm în considerare un exemplu de sistem de alimentare cu energie al unei clădiri care utilizează surse solare - o mică centrală solară, a cărei structură este prezentată în imagine.

Această schemă poate funcționa în clădirile în care există o rețea electrică, iar bateria solară este folosită pentru a economisi consumul de energie din aceasta, precum și ca sursă de rezervă atunci când cea principală este oprită. Principiul general de funcționare al sistemului este următorul: tensiunea continuă generată de convertoarele fotoelectrice este furnizată unui invertor, care o transformă în tensiune alternativă, și bateriilor, care, atunci când sunt încărcate sub controlul unui controler special, acumulează energie. .

În acest caz, electrocasnicele din casă sunt împărțite în redundante - cele pentru care o întrerupere de curent poate duce la consecințe nedorite (frigider, sisteme de supraveghere video, sisteme de alarmă) și neredundante - toate celelalte. Când rețeaua este deconectată, invertorul alimentează dispozitivele redundante din bateria solară, iar dacă energia din aceasta nu este suficientă, atunci din baterii. Când rețeaua este conectată, energia electrică generată de panouri merge mai întâi pentru a le încărca. Și când acest lucru nu mai este necesar, invertorul transformă tensiunea continuă în tensiune alternativă, de la care este alimentată sarcina. Acest lucru economisește consumul de la sursa principală.

Bateriile solare pot fi utilizate fără echipamentul suplimentar considerat pentru alimentarea sau încărcarea echipamentelor electronice portabile care funcționează pe tensiune continuă, de exemplu, calculatoare, playere, lanterne și dispozitive mobile.

Pe lângă electricitate, căldura poate fi obținută direct din energia luminoasă. Pentru aceasta se folosesc colectoare solare. Având în vedere că astăzi există tendințe în reducerea costului convertoarelor fotoelectrice și creșterea eficienței acestora, în general, energia solară este o direcție promițătoare care vă permite să obțineți energie electrică gratuită într-un mod silentios și ecologic, precum și căldură pentru încălzire și căldură. rezerva de apa.