Saules baterijas darbības princips: kā darbojas un darbojas saules panelis

Brīvo saules staru efektīva pārvēršana enerģijā, ko var izmantot māju un citu objektu barošanai, ir daudzu zaļās enerģijas apoloģētu lolotais sapnis.

Bet saules baterijas darbības princips un efektivitāte ir tāda, ka par šādu sistēmu augsto efektivitāti vēl nav jārunā. Būtu jauki, ja būtu savs papildu elektroenerģijas avots. Vai ne? Turklāt pat šodien Krievijā ar saules paneļu palīdzību ievērojams skaits privāto mājsaimniecību tiek veiksmīgi apgādātas ar “bezmaksas” elektroenerģiju. Joprojām nezināt, ar ko sākt?

Zemāk pastāstīsim par saules paneļa konstrukciju un darbības principiem, uzzināsiet, no kā ir atkarīga saules sistēmas efektivitāte. Un rakstā ievietotie videoklipi palīdzēs jums ar savām rokām salikt saules paneli no fotoelementiem.

Saules paneļi: terminoloģija

Tēmā “saules enerģija” ir diezgan daudz nianšu un neskaidrību. Nereti iesācējiem sākumā ir grūti saprast visus nepazīstamos terminus. Bet bez tā nav saprātīgi nodarboties ar saules enerģiju, iegādājoties iekārtas “saules” strāvas ģenerēšanai.

Neapzinoties, jūs varat ne tikai izvēlēties nepareizu paneli, bet arī vienkārši sadedzināt to pievienojot vai iegūt no tā pārāk maz enerģijas.

Pirmkārt, jums vajadzētu saprast esošos saules enerģijas iekārtu veidus. Saules paneļi un saules kolektori ir divas principiāli atšķirīgas ierīces. Abi pārvērš saules staru enerģiju.

Tomēr pirmajā gadījumā patērētājs saņem elektrisko enerģiju pie izejas, bet otrajā - siltumenerģiju uzkarsēta dzesēšanas šķidruma veidā, t.i. saules paneļi tiek izmantoti mājas apkure.

Maksimālo atdevi no saules paneļa var iegūt, tikai zinot, kā tas darbojas, no kādiem komponentiem un mezgliem tas sastāv un kā tas viss ir pareizi savienots

Otra nianse ir jēdziens “saules baterija”. Parasti vārds “akumulators” attiecas uz kāda veida elektrisko atmiņas ierīci. Vai arī prātā nāk banāls apkures radiators. Tomēr saules bateriju gadījumā situācija ir radikāli atšķirīga. Viņi neko neuzkrāj sevī.

Saules panelis ģenerē pastāvīgu elektrisko strāvu. Lai to pārveidotu par mainīgu (izmanto ikdienas dzīvē), ķēdē ir jābūt invertoram

Saules paneļi ir paredzēti tikai elektriskās strāvas ģenerēšanai. Tas savukārt tiek uzkrāts, lai apgādātu māju ar elektrību naktī, saulei ejot zem horizonta, jau akumulatoros, kas papildus atrodas objekta energoapgādes ķēdē.

Akumulators šeit ir domāts saistībā ar noteiktu līdzīgu komponentu kopumu, kas salikts vienā veselumā. Faktiski tas ir tikai vairāku identisku fotoelementu panelis.

Saules baterijas iekšējā struktūra

Pamazām saules paneļi kļūst lētāki un efektīvāki.Tagad tos izmanto, lai uzlādētu akumulatorus ielu lampās, viedtālruņos, elektromobiļos, privātmājās un kosmosa satelītos. Viņi pat sāka būvēt pilnvērtīgas saules elektrostacijas (SPP) ar lieliem ražošanas apjomiem.

Saules baterija sastāv no daudzām fotoelementiem (fotoelektriskajiem pārveidotājiem), kas pārvērš saules fotonu enerģiju elektrībā.

Katra saules baterija ir veidota kā noteikta skaita moduļu bloks, kurā apvienoti virknē savienoti pusvadītāju fotoelementi. Lai saprastu šāda akumulatora darbības principus, ir jāsaprot šīs gala saites darbība saules paneļa ierīcē, kas izveidota uz pusvadītāju bāzes.

Fotoelementu kristālu veidi

Ir ļoti daudz FEP iespēju, kas izgatavotas no dažādiem ķīmiskiem elementiem. Tomēr lielākā daļa no tiem ir izstrādes sākuma stadijā. Līdz šim rūpnieciskā mērogā tiek ražoti tikai paneļi, kas izgatavoti no silīcija bāzes fotoelementiem.

Silīcija pusvadītājus zemo izmaksu dēļ izmanto saules bateriju ražošanā, tie nevar lepoties ar īpaši augstu efektivitāti.

Tipisks saules paneļa fotoelements ir plāna plāksne no diviem silīcija slāņiem, no kuriem katram ir savas fizikālās īpašības. Šis ir klasisks pusvadītāju p-n savienojums ar elektronu caurumu pāriem.

Kad fotoni ietriecas fotogalvaniskajā šūnā starp šiem pusvadītāju slāņiem, kristāla neviendabīguma dēļ veidojas vārtu foto-EMF, kā rezultātā rodas potenciālu starpība un elektronu strāva.

Saules bateriju silīcija vafeles ražošanas tehnoloģijā atšķiras:

1. Monokristālisks.
2. Polikristālisks.

Pirmajiem ir augstāka efektivitāte, bet to ražošanas izmaksas ir augstākas nekā otrajām. Ārēji vienu saules paneļa iespēju var atšķirt no citas pēc tās formas.

Monokristāliskām saules baterijām ir viendabīga struktūra, tās ir izgatavotas kvadrātu formā ar nogrieztiem stūriem. Turpretim polikristāliskiem elementiem ir stingri kvadrātveida forma.

Polikristālus iegūst, pakāpeniski atdzesējot izkausētu silīciju. Šī metode ir ārkārtīgi vienkārša, tāpēc šādi fotoelementi ir lēti.

Bet to produktivitāte elektroenerģijas ražošanā no saules stariem reti pārsniedz 15%. Tas ir saistīts ar iegūto silīcija plāksnīšu “piemaisījumu” un to iekšējo struktūru. Šeit, jo tīrāks ir p-silīcija slānis, jo augstāka ir saules baterijas efektivitāte no tā.

Atsevišķu kristālu tīrība šajā ziņā ir daudz augstāka nekā polikristāliskiem analogiem. Tie ir izgatavoti nevis no kausēta, bet no mākslīgi audzēta cietā silīcija kristāla. Šādu saules bateriju fotoelektriskās konversijas koeficients jau sasniedz 20-22%.

Atsevišķi fotoelementi ir salikti kopējā modulī uz alumīnija rāmja un, lai tos aizsargātu, no augšas pārklāti ar izturīgu stiklu, kas nekādā veidā netraucē saules stariem.

Fotoelementu plāksnes augšējais slānis, kas vērsts pret sauli, ir izgatavots no tā paša silīcija, bet ar fosfora piedevu. Tieši pēdējais būs lieko elektronu avots pn savienojuma sistēmā.

Īsts sasniegums saules enerģijas jomā bija elastīgu paneļu izstrāde ar amorfu fotoelektrisko silīciju:

Saules paneļa darbības princips

Kad saules gaisma krīt uz fotoelementu, tajā tiek ģenerēti nelīdzsvaroti elektronu caurumu pāri. Pārmērīgie elektroni un caurumi tiek daļēji pārnesti caur pn savienojumu no viena pusvadītāja slāņa uz otru.

Tā rezultātā ārējā ķēdē parādās spriegums. Šajā gadījumā p-slāņa kontaktā veidojas strāvas avota pozitīvais pols, bet n-slāņa kontaktā - negatīvais pols.

Potenciālu starpība (spriegums) starp fotoelementa kontaktiem rodas, mainoties “caurumu” un elektronu skaitam dažādās p-n krustojuma pusēs n-slāņa apstarošanas ar saules stariem rezultātā.

Fotoelementi, kas savienoti ar ārējo slodzi akumulatora veidā, veido ar to apburto loku. Rezultātā saules panelis darbojas kā sava veida ritenis, pa kuru elektroni “skrien” kopā starp olbaltumvielām. Un akumulators pakāpeniski tiek uzlādēts.

Standarta silīcija fotoelektriskie pārveidotāji ir viena savienojuma elementi.Elektronu plūsma tajos notiek tikai caur vienu p-n savienojumu ar šīs pārejas zonu, kas ir ierobežota fotonu enerģijā.

Tas ir, katrs šāds fotoelements spēj ražot elektroenerģiju tikai no šaura saules starojuma spektra. Visa pārējā enerģija tiek izniekota. Tāpēc FEP efektivitāte ir tik zema.

Lai palielinātu saules bateriju efektivitāti, tiem paredzētos silīcija pusvadītāju elementus nesen sāka veidot daudzsavienojumus (kaskādes). Jaunajās saules baterijās jau ir vairākas pārejas. Turklāt katrs no tiem šajā kaskādē ir paredzēts savam saules gaismas spektram.

Galu galā palielinās šādu fotoelementu kopējā efektivitāte, pārvēršot fotonus elektriskajā strāvā. Bet to cena ir daudz augstāka. Šeit vai nu ražošanas vienkāršība ar zemām izmaksām un zemu efektivitāti, vai lielāka atdeve kopā ar augstām izmaksām.

Saules panelis var darboties gan vasarā, gan ziemā (tam vajag gaismu, nevis siltumu) - jo mazāk mākoņains un jo spožāk spīdēs saule, jo lielāku elektrisko strāvu saules panelis radīs

Darbības laikā fotoelements un viss akumulators pakāpeniski uzsilst. Visa enerģija, kas netika izmantota elektriskās strāvas ģenerēšanai, tiek pārveidota siltumā. Bieži vien temperatūra uz saules paneļa virsmas paaugstinās līdz 50–55 °C. Bet jo augstāks tas ir, jo mazāk efektīvi darbojas fotoelektriskais elements.

Rezultātā tas pats saules baterijas modelis karstā laikā ģenerē mazāku strāvu nekā aukstā laikā. Fotoelementi parāda maksimālu efektivitāti skaidrā ziemas dienā. Šeit ir divi faktori – daudz saules un dabiska dzesēšana.

Turklāt, ja uz paneļa uzkrīt sniegs, tas joprojām turpinās ražot elektrību.Turklāt sniegpārslām pat nebūs laika uz tās daudz gulēt, jo tās izkusušas no uzkarsēto fotoelementu siltuma.

Saules bateriju efektivitāte

Viens fotoelements pat pusdienlaikā skaidrā laikā saražo ļoti maz elektrības, pietiek tikai, lai darbinātu LED lukturīti.

Lai palielinātu izejas jaudu, vairākas saules baterijas tiek apvienotas paralēlā ķēdē, lai palielinātu līdzstrāvas spriegumu, un virknē, lai palielinātu strāvu.

Saules paneļu efektivitāte ir atkarīga no:

• gaisa un paša akumulatora temperatūra;
• pareiza slodzes pretestības izvēle;
• saules gaismas krišanas leņķis;
• pretatstarojoša pārklājuma esamība/neesamība;
• gaismas plūsmas jauda.

Jo zemāka temperatūra ārā, jo efektīvāk darbojas fotoelementi un saules baterija kopumā. Šeit viss ir vienkārši. Bet ar slodzes aprēķinu situācija ir sarežģītāka. Tas jāizvēlas, pamatojoties uz paneļa piegādāto strāvu. Bet tā vērtība mainās atkarībā no laika apstākļiem.

Saules paneļi tiek ražoti ar izejas spriegumu, kas ir 12 V reizināts - ja akumulatoram ir jāpavada 24 V, tad tam paralēli būs jāpievieno divi paneļi

Pastāvīgi uzraudzīt saules baterijas parametrus un manuāli regulēt tā darbību ir problemātiski. Šim nolūkam to labāk izmantot vadības kontrolieris, kas automātiski pielāgo saules paneļa iestatījumus, lai no tā sasniegtu maksimālu veiktspēju un optimālus darbības režīmus.

Ideālais saules staru krišanas leņķis uz saules baterijas ir taisns. Taču, ja novirze ir 30 grādu robežās no perpendikula, paneļa efektivitāte samazinās tikai par aptuveni 5%.Bet, vēl vairāk palielinoties šim leņķim, tiks atspoguļota arvien lielāka saules starojuma daļa, tādējādi samazinot saules baterijas efektivitāti.

Ja akumulators ir nepieciešams, lai vasarā ražotu maksimālo enerģiju, tad tas ir jāorientē perpendikulāri Saules vidējam stāvoklim, ko tas aizņem ekvinokcijas laikā pavasarī un rudenī.

Maskavas reģionā tas ir aptuveni 40–45 grādi pret horizontu. Ja ziemā ir nepieciešams maksimums, tad panelis jānovieto vertikālākā stāvoklī.

Un vēl viena lieta - putekļi un netīrumi ievērojami samazina fotoelementu veiktspēju. Fotoni vienkārši nesasniedz tos caur tik “netīru” barjeru, kas nozīmē, ka nav ko pārvērst elektrībā. Paneļi regulāri jāmazgā vai jānovieto tā, lai lietus putekļus nomazgātu paši.

Dažiem saules paneļiem ir iebūvētas lēcas, lai koncentrētu starojumu uz saules bateriju. Skaidrā laikā tas palielina efektivitāti. Tomēr smagos mākoņos šīs lēcas nodara tikai kaitējumu.

Ja parasts panelis šādā situācijā turpina ģenerēt strāvu, kaut arī mazākos apjomos, objektīva modelis pārtrauks darboties gandrīz pilnībā.

Saulei ideālā gadījumā vajadzētu vienmērīgi apgaismot fotoelementu akumulatoru. Ja kāda no tās sekcijām izrādās aptumšota, tad neapgaismotās saules baterijas pārvēršas par parazītu slodzi. Tie ne tikai nerada enerģiju šādā situācijā, bet arī atņem to no darba elementiem.

Paneļi jāuzstāda tā, lai saules staru ceļā neatrastos koki, ēkas vai citi šķēršļi.

Mājas saules enerģijas padeves shēma

Saules enerģijas apgādes sistēma ietver:

1. Saules paneļi.
2. Kontrolieris.
3. Baterijas.
4. Invertors (transformators).

Kontrolieris šajā ķēdē aizsargā gan saules paneļus, gan baterijas. No vienas puses, tas novērš reverso strāvu plūsmu naktī un mākoņainā laikā, un, no otras puses, aizsargā akumulatorus no pārmērīgas uzlādes/izlādes.

Uzlādējamās baterijas saules paneļiem jāizvēlas vienādi pēc vecuma un jaudas, pretējā gadījumā uzlāde/izlāde notiks nevienmērīgi, kā rezultātā krasi samazināsies to kalpošanas laiks

Lai pārveidotu 12, 24 vai 48 voltu līdzstrāvu par 220 voltu maiņstrāvu, jums ir nepieciešams invertors. Automašīnu akumulatorus nav ieteicams izmantot šādā ķēdē, jo tie nespēj izturēt biežu uzlādi. Vislabāk ir tērēt naudu un iegādāties īpašus hēlija AGM vai appludinātos OPzS akumulatorus.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Darbības principi un saules paneļu pieslēguma shēmas nav pārāk grūti saprast. Un, izmantojot tālāk apkopotos video materiālus, būs vēl vieglāk izprast visas saules paneļu darbības un uzstādīšanas smalkumus.

Tas ir pieejams un saprotams, kā darbojas saules fotoelements, visās detaļās:

Skatiet, kā darbojas saules paneļi, šajā videoklipā:

DIY saules paneļu montāža no fotoelementiem:

Katrs elements iekšā saules enerģijas sistēma māja ir jāizvēlas pareizi. Baterijās, transformatoros un kontrollerī rodas neizbēgami jaudas zudumi. Un tie ir jāsamazina līdz minimumam, pretējā gadījumā jau tā diezgan zemā saules paneļu efektivitāte tiks samazināta līdz nullei.

Vai, studējot materiālu, radās kādi jautājumi? Vai arī jūs zināt vērtīgu informāciju par raksta tēmu un varat dalīties tajā ar mūsu lasītājiem? Lūdzu, atstājiet savus komentārus zemāk esošajā blokā.