Princip fungování solární baterie: jak solární panel funguje a funguje

Efektivní přeměna volných slunečních paprsků na energii, kterou lze využít k napájení domů a dalších zařízení, je oblíbeným snem mnoha zastánců zelené energie.

Ale princip fungování solární baterie a její účinnost jsou takové, že o vysoké účinnosti takových systémů není třeba zatím hovořit. Bylo by fajn mít vlastní doplňkový zdroj elektřiny. Není to ono? Navíc i dnes je v Rusku s pomocí solárních panelů velký počet soukromých domácností úspěšně zásobován „bezplatnou“ elektřinou. Stále nevíte, kde začít?

Níže si povíme o konstrukci a principech fungování solárního panelu, dozvíte se, na čem závisí účinnost solárního systému. A videa zveřejněná v článku vám pomohou sestavit solární panel z fotobuněk vlastníma rukama.

Solární panely: terminologie

V tématu „sluneční energie“ je poměrně hodně nuancí a zmatků. Pro začátečníky je často zpočátku obtížné porozumět všem neznámým pojmům. Ale bez toho je nerozumné zapojit se do solární energie a nakupovat zařízení pro generování „solárního“ proudu.

Nevědomky tak můžete nejen vybrat špatný panel, ale také jej při připojování jednoduše spálit nebo z něj vytáhnout příliš málo energie.

Nejprve byste měli porozumět stávajícím typům zařízení pro solární energii. Solární panely a solární kolektory jsou dvě zásadně odlišná zařízení. Oba přeměňují energii slunečních paprsků.

V prvním případě však spotřebitel přijímá na výstupu elektrickou energii a ve druhém tepelnou energii ve formě ohřátého chladiva, tzn. se používají solární panely vytápění domu.

Maximální návratnost solárního panelu lze dosáhnout pouze tím, že budete vědět, jak funguje, z jakých součástí a sestav se skládá a jak je vše správně připojeno

Druhou nuancí je koncept termínu „solární baterie“. Slovo „baterie“ obvykle označuje nějaký druh elektrického paměťového zařízení. Nebo přichází na mysl banální radiátor. V případě solárních baterií je však situace radikálně odlišná. Nic v sobě nehromadí.

Solární panel generuje konstantní elektrický proud. Chcete-li jej převést na proměnnou (používanou v každodenním životě), musí být v obvodu přítomen invertor

Solární panely jsou určeny výhradně k výrobě elektrického proudu. Ta se zase akumuluje pro zásobování domu elektřinou v noci, když slunce zapadne pod obzor, již v bateriích, které jsou navíc přítomny v okruhu napájení zařízení.

Baterie je zde myšlena v kontextu určité sady podobných komponent sestavených do jediného celku. Ve skutečnosti je to jen panel několika stejných fotobuněk.

Vnitřní struktura solární baterie

Postupně jsou solární panely levnější a efektivnější.Nyní se používají k dobíjení baterií v pouličních lampách, chytrých telefonech, elektromobilech, soukromých domech a na satelitech ve vesmíru. Začali dokonce stavět plnohodnotné solární elektrárny (SPP) s velkými výrobními objemy.

Solární baterie se skládá z mnoha fotočlánků (fotoelektrických konvertorů), které přeměňují energii fotonů ze slunce na elektřinu

Každá solární baterie je navržena jako blok určitého počtu modulů, které kombinují polovodičové fotočlánky zapojené do série. Pro pochopení principů fungování takové baterie je nutné porozumět fungování tohoto konečného článku v zařízení solárního panelu, vytvořeného na bázi polovodičů.

Typy krystalů fotočlánků

Existuje obrovské množství možností FEP vyrobených z různých chemických prvků. Většinou se však jedná o vývoj v počátečních fázích. V průmyslovém měřítku se zatím vyrábí pouze panely vyrobené z fotovoltaických článků na bázi křemíku.

Křemíkové polovodiče se pro svou nízkou cenu používají při výrobě solárních článků, nemohou se pochlubit zvlášť vysokou účinností

Typický fotočlánek v solárním panelu je tenký plátek ze dvou vrstev křemíku, z nichž každá má své vlastní fyzikální vlastnosti. Jedná se o klasický polovodičový p-n přechod s páry elektron-díra.

Když fotony dopadnou na fotovoltaický článek mezi těmito polovodičovými vrstvami, v důsledku nehomogenity krystalu se vytvoří hradlové foto-EMF, což má za následek rozdíl potenciálů a elektronový proud.

Křemíkové plátky solárních článků se liší technologií výroby na:

1. Monokrystalický.
2. Polykrystalický.

První mají vyšší účinnost, ale náklady na jejich výrobu jsou vyšší než u druhých. Externě lze jednu možnost na solárním panelu odlišit od druhé podle jejího tvaru.

Monokrystalické solární články mají homogenní strukturu, jsou vyrobeny ve formě čtverců s oříznutými rohy. Naproti tomu polykrystalické prvky mají přísně čtvercový tvar.

Polykrystaly se získávají postupným chlazením roztaveného křemíku. Tato metoda je extrémně jednoduchá, a proto jsou takové fotobuňky levné.

Ale jejich produktivita, pokud jde o výrobu elektřiny ze slunečních paprsků, zřídka přesahuje 15%. To je způsobeno „nečistotou“ výsledných křemíkových plátků a jejich vnitřní strukturou. Zde platí, že čím čistší je vrstva p-křemíku, tím vyšší je účinnost solárního článku z ní.

Čistota monokrystalů je v tomto ohledu mnohem vyšší než u polykrystalických analogů. Jsou vyrobeny nikoli z roztaveného, ​​ale z uměle vypěstovaného pevného křemíkového krystalu. Koeficient fotoelektrické konverze takových solárních článků již dosahuje 20-22%.

Jednotlivé fotobuňky jsou sestaveny do společného modulu na hliníkovém rámu a pro jejich ochranu jsou svrchu kryty odolným sklem, které nijak neruší sluneční paprsky

Vrchní vrstva desky fotobuňky obrácená ke slunci je vyrobena ze stejného křemíku, ale s přídavkem fosforu. Právě ten druhý bude zdrojem přebytečných elektronů v systému pn přechodu.

Skutečným průlomem v oblasti solární energie byl vývoj flexibilních panelů s amorfním fotovoltaickým křemíkem:

Princip fungování solárního panelu

Když sluneční světlo dopadá na fotobuňku, vznikají v ní nerovnovážné páry elektron-díra. Přebytečné elektrony a díry se částečně přenášejí přes pn přechod z jedné vrstvy polovodiče do druhé.

V důsledku toho se ve vnějším obvodu objeví napětí. V tomto případě je kladný pól zdroje proudu vytvořen na kontaktu p-vrstvy a záporný pól na n-vrstvě.

Potenciální rozdíl (napětí) mezi kontakty fotočlánku se objevuje v důsledku změny počtu „děr“ a elektronů na různých stranách p-n přechodu v důsledku ozáření n-vrstvy slunečními paprsky

Fotočlánky připojené k externí zátěži v podobě baterie s ní tvoří začarovaný kruh. Výsledkem je, že solární panel funguje jako jakési kolo, po kterém elektrony „běží“ mezi proteiny. A baterie se postupně nabíjí.

Standardní křemíkové fotovoltaické konvertory jsou jednočlánkové články.K toku elektronů do nich dochází pouze jedním p-n přechodem se zónou tohoto přechodu omezenou na energii fotonu.

To znamená, že každý takový fotočlánek je schopen vyrábět elektřinu pouze z úzkého spektra slunečního záření. Veškerá ostatní energie je promarněna. Proto je účinnost FEP tak nízká.

Pro zvýšení účinnosti solárních článků se pro ně v poslední době začaly vyrábět křemíkové polovodičové prvky multijunction (kaskáda). V nových solárních článcích již existuje několik přechodů. Každý z nich v této kaskádě je navíc navržen pro své vlastní spektrum slunečního záření.

Celková účinnost přeměny fotonů na elektrický proud pro takové fotočlánky se nakonec zvyšuje. Jejich cena je ale mnohem vyšší. Zde buď snadnost výroby s nízkou cenou a nízkou účinností, nebo vyšší návratnost spojená s vysokými náklady.

Solární panel může pracovat v létě i v zimě (potřebuje světlo, ne teplo) - čím méně zataženo a čím jasnější slunce svítí, tím více elektrického proudu bude solární panel generovat

Během provozu se fotočlánek i celá baterie postupně zahřívají. Veškerá energie, která nebyla využita k výrobě elektrického proudu, se přemění na teplo. Často teplota na povrchu solárního panelu stoupne na 50–55 °C. Ale čím je vyšší, tím méně efektivně fotovoltaický článek funguje.

Výsledkem je, že stejný model solární baterie generuje méně proudu v horkém počasí než v chladném počasí. Fotobuňky vykazují maximální účinnost za jasného zimního dne. Hrají zde dva faktory – hodně slunce a přirozené ochlazování.

Navíc, pokud na panel napadne sníh, bude stále pokračovat ve výrobě elektřiny.Navíc sněhové vločky ani nebudou mít čas na to moc ležet, protože se roztavily z tepla vyhřívaných fotobuněk.

Účinnost solární baterie

Jedna fotobuňka, dokonce i v poledne za jasného počasí, produkuje velmi málo elektřiny, která postačuje pouze k provozu LED svítilny.

Pro zvýšení výstupního výkonu je několik solárních článků spojeno do paralelního obvodu pro zvýšení stejnosměrného napětí a do sériového obvodu pro zvýšení proudu.

Účinnost solárních panelů závisí na:

• teplota vzduchu a samotné baterie;
• správný výběr zátěžového odporu;
• úhel dopadu slunečního světla;
• přítomnost/nepřítomnost antireflexního povlaku;
• výkon světelného toku.

Čím nižší je venkovní teplota, tím efektivněji fungují fotočlánky a solární baterie jako celek. Všechno je zde jednoduché. Ale s výpočtem zatížení je situace složitější. Měl by být zvolen na základě proudu dodávaného panelem. Jeho hodnota se však liší v závislosti na povětrnostních faktorech.

Solární panely jsou vyráběny s výstupním napětím, které je násobkem 12 V - pokud je třeba do baterie dodat 24 V, pak k ní budou muset být připojeny dva panely paralelně

Neustálé sledování parametrů solární baterie a ruční nastavování její činnosti je problematické. K tomu je lepší použít kontrolní ovladač, který automaticky upravuje nastavení solárního panelu tak, aby z něj bylo dosaženo maximálního výkonu a optimálních provozních režimů.

Ideální úhel dopadu slunečních paprsků na solární baterii je rovný. Pokud je však odchylka do 30 stupňů od kolmice, účinnost panelu klesne jen o cca 5 %.Ale s dalším zvětšením tohoto úhlu se bude odrážet rostoucí podíl slunečního záření, čímž se sníží účinnost solárního článku.

Pokud má baterie produkovat maximum energie v létě, pak by měla být orientována kolmo k průměrné poloze Slunce, kterou zaujímá v rovnodennostech na jaře a na podzim.

Pro moskevskou oblast je to přibližně 40–45 stupňů k horizontu. Pokud je v zimě potřeba maximum, pak by měl být panel umístěn ve svislé poloze.

A ještě něco – prach a špína značně snižují výkon fotobuněk. Fotony se k nim přes takovou „špinavou“ bariéru prostě nedostanou, což znamená, že není co přeměnit na elektřinu. Panely je nutné pravidelně umývat nebo je umisťovat tak, aby se prach samovolně smyl deštěm.

Některé solární panely mají vestavěné čočky pro koncentraci záření na solární článek. Za jasného počasí to vede ke zvýšení účinnosti. V těžkých mracích však tyto čočky pouze škodí.

Pokud konvenční panel v takové situaci nadále generuje proud, i když v menších objemech, pak model čočky přestane fungovat téměř úplně.

Slunce by mělo ideálně osvětlovat baterii fotobuněk rovnoměrně. Pokud se ukáže, že jedna z jeho částí je ztmavená, pak se neosvětlené solární články promění v parazitní zátěž. Nejenže v takové situaci energii nevytvářejí, ale také ji odebírají pracovním prvkům.

Panely musí být instalovány tak, aby v cestě slunečních paprsků nebyly stromy, budovy nebo jiné překážky.

Schéma solárního napájení domu

Systém solárního napájení obsahuje:

1. Solární panely.
2. Ovladač.
3. Baterie.
4. Invertor (transformátor).

Regulátor v tomto obvodu chrání jak solární panely, tak baterie. Jednak zabraňuje toku zpětných proudů v noci a za oblačného počasí a jednak chrání baterie před nadměrným nabíjením/vybíjením.

Nabíjecí baterie pro solární panely by měly být vybrány stejně ve stáří a kapacitě, jinak dojde k nerovnoměrnému nabíjení/vybíjení, což povede k prudkému snížení jejich životnosti

K přeměně stejnosměrného proudu 12, 24 nebo 48 voltů na střídavý proud 220 voltů potřebujete střídač. Autobaterie se v takovém obvodu nedoporučují kvůli jejich neschopnosti vydržet časté dobíjení. Nejlepší je utratit peníze a pořídit si speciální héliové AGM nebo zaplavené baterie OPzS.

Závěry a užitečné video k tématu

Provozní principy a schémata zapojení solárních panelů není příliš těžké pochopit. A s video materiály, které jsme shromáždili níže, bude ještě snazší pochopit všechny složitosti fungování a instalace solárních panelů.

Je přístupné a srozumitelné, jak funguje fotovoltaická solární baterie, a to ve všech detailech:

Podívejte se, jak fungují solární panely v následujícím videu:

Vlastní montáž solárního panelu z fotobuněk:

Každý prvek v solární systém chata musí být vybrána správně. V bateriích, transformátorech a regulátoru dochází k nevyhnutelným ztrátám energie. A je třeba je snížit na minimum, jinak se již tak dost nízká účinnost solárních panelů sníží na nulu.

Měli jste při studiu materiálu nějaké otázky? Nebo znáte cenné informace k tématu článku a můžete se o ně podělit s našimi čtenáři? Zanechte prosím své komentáře v bloku níže.