Zasada działania baterii słonecznej: jak jest zbudowany i działa panel słoneczny

Efektywna przemiana darmowych promieni słonecznych w energię, którą można wykorzystać do zasilania domów i innych obiektów, to marzenie wielu zwolenników zielonej energetyki.

Jednak zasada działania baterii słonecznej i jej sprawność są takie, że o wysokiej efektywności takich systemów na razie nie można mówić. Dobrze byłoby zaopatrzyć się we własne dodatkowe źródło energii elektrycznej. Czyż nie? Tym bardziej, że już dziś również w Rosji za pomocą paneli słonecznych „darmową" energią elektryczną z powodzeniem zaopatrywana jest niemała liczba prywatnych gospodarstw domowych. Wciąż nie wiedzą Państwo, od czego zacząć?

Poniżej opowiemy Państwu o budowie i zasadach działania panelu słonecznego, dowiedzą się Państwo, od czego zależy efektywność systemu solarnego. A zamieszczone w artykule filmy wideo pomogą samodzielnie złożyć panel słoneczny z fotoogniw.

Baterie słoneczne: terminologia

W tematyce „energetyki słonecznej" jest wiele niuansów i niejasności. Często początkującym trudno jest na początku zrozumieć wszystkie nieznane terminy. Jednak bez tego zajmowanie się energetyką słoneczną i nabywanie sprzętu do generowania „słonecznego" prądu jest nierozsądne.

Przez niewiedzę można nie tylko wybrać nieodpowiedni panel, ale też po prostu spalić go przy podłączaniu lub uzyskać z niego zbyt małą ilość energii.

Na początku należy zrozumieć istniejące odmiany sprzętu do helioenergetyki. Baterie słoneczne i kolektory słoneczne to dwa zasadniczo różne urządzenia. Oba przetwarzają energię promieni słonecznych.

Jednak w pierwszym przypadku na wyjściu konsument otrzymuje energię elektryczną, a w drugim cieplną w postaci ogrzanego czynnika grzewczego, tj. panele słoneczne wykorzystuje się do ogrzewania domu.

Maksymalny uzysk z panelu słonecznego można osiągnąć tylko znając jego działanie, z jakich komponentów i podzespołów się składa oraz jak to wszystko prawidłowo podłączyć.

Drugi niuans to samo pojęcie terminu „bateria słoneczna”. Zwykle pod słowem „bateria” rozumie się jakieś akumulujące energię elektryczną urządzenie. Albo na myśl przychodzi banalny grzejnik. Jednak w przypadku heliobaterii sytuacja jest diametralnie inna. Nic w sobie nie gromadzą.

Panel słoneczny generuje stały prąd elektryczny. Aby przekształcić go na zmienny (używany w gospodarstwie domowym), w schemacie musi znajdować się inwerter.

Baterie słoneczne są przeznaczone wyłącznie do generowania prądu elektrycznego. Ten z kolei jest magazynowany w celu zasilania domu prądem w nocy, kiedy słońce chowa się za horyzont, w dodatkowo obecnych w schemacie zasilania obiektu akumulatorach.

Bateria jest tu rozumiana w kontekście pewnego zespołu jednorodnych komponentów, zebranych w jedną całość. W praktyce jest to po prostu panel z kilku identycznych ogniw fotowoltaicznych.

Wewnętrzna budowa baterii słonecznej

Stopniowo baterie słoneczne stają się coraz tańsze i wydajniejsze. Obecnie są używane do doładowywania akumulatorów w latarniach ulicznych, smartfonach, samochodach elektrycznych, domach prywatnych i na satelitach w kosmosie. Zaczęto nawet budować z nich pełnowartościowe elektrownie słoneczne (ES) z dużymi wolumenami generacji.

Heliobateria składa się z wielu fotokomórek (fotoelektrycznych przetworników FEP), przekształcających energię fotonów ze słońca w energię elektryczną.

Każdy panel słoneczny jest zbudowany jako blok z określonej liczby modułów, które łączą w sobie połączone szeregowo półprzewodnikowe ogniwa fotowoltaiczne. Aby zrozumieć zasady działania takiego panelu, należy zrozumieć działanie tego końcowego ogniwa w urządzeniu panelu słonecznego, stworzonego na bazie półprzewodników.

Rodzaje kryształów fotoogniw

Istnieje ogromna liczba wariantów ogniw fotowoltaicznych wykonanych z różnych pierwiastków chemicznych. Jednak większość z nich to projekty we wczesnych stadiach rozwoju. Na skalę przemysłową produkuje się obecnie tylko panele z ogniw na bazie krzemu.

Półprzewodniki krzemowe są używane do produkcji paneli słonecznych ze względu na ich niską cenę, ale nie mogą pochwalić się szczególnie wysoką wydajnością.

Typowe ogniwo fotowoltaiczne w panelu słonecznym to cienka płyta z dwóch warstw krzemu, z których każda ma swoje własne właściwości fizyczne. Jest to klasyczne półprzewodnikowe złącze p-n z parami elektron-dziura.

Gdy fotony padają na ogniwo fotowoltaiczne, pomiędzy tymi warstwami półprzewodnika, z powodu niejednorodności kryształu, powstaje fotowoltaiczna siła elektromotoryczna bramki, w wyniku czego powstaje różnica potencjałów i prąd elektronów.

Płytki krzemowe ogniw fotowoltaicznych różnią się technologią produkcji na:

1. Monokrystaliczne.
2. Polikrystaliczne.

Pierwsze mają wyższą wydajność, ale ich koszt produkcji jest również wyższy niż w przypadku drugich. Zewnętrznie jeden wariant od drugiego na panelu słonecznym można odróżnić po kształcie.

Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne mają jednorodną strukturę i są wykonywane w postaci kwadratów ze ściętymi narożnikami. W przeciwieństwie do nich, polikrystaliczne ogniwa mają ściśle kwadratowy kształt.

Polikryształy powstają w wyniku stopniowego ochładzania stopionego krzemu. Ta metoda jest niezwykle prosta, dlatego takie ogniwa fotowoltaiczne są niedrogie.

Jednak wydajność w zakresie wytwarzania energii elektrycznej z promieni słonecznych rzadko przekracza u nich 15%. Jest to związane z 'nieczystością' otrzymywanych płytek krzemowych oraz ich wewnętrzną strukturą. Im czystsza warstwa p krzemu, tym wyższa sprawność wykonanego z niego ogniwa fotowoltaicznego.

Czystość monokryształów pod tym względem jest znacznie wyższa niż w przypadku analogów polikrystalicznych. Wytwarza się je nie ze stopionego, ale sztucznie wyhodowanego, pełnego kryształu krzemu. Współczynnik konwersji fotowoltaicznej takich ogniw sięga już 20-22%.

Poszczególne ogniwa fotowoltaiczne montowane są w module na aluminiowej ramie, a dla ochrony przykrywane są od góry wytrzymałym szkłem, które w żaden sposób nie utrudnia dostępu promieni słonecznych.

Zwrócona ku słońcu górna warstwa płytki ogniwa fotowoltaicznego wykonana jest z tego samego krzemu, ale z dodatkiem fosforu. To właśnie fosfor jest źródłem nadmiarowych elektronów w układzie złącza p-n.

Prawdziwym przełomem w dziedzinie wykorzystania energii słonecznej stało się opracowanie elastycznych paneli z amorficznym krzemem fotowoltaicznym:

Zasada działania panelu słonecznego

Pod wpływem padania promieni słonecznych na ogniwo fotowoltaiczne generowane są w nim nierównowagowe pary elektron-dziura. Nadmiarowe elektrony i 'dziury' są częściowo przenoszone przez złącze p-n z jednej warstwy półprzewodnika do drugiej.

W rezultacie w obwodzie zewnętrznym pojawia się napięcie. Na styku warstwy p powstaje biegun dodatni źródła prądu, a na warstwie n – biegun ujemny.

Różnica potencjałów (napięcie) między stykami ogniwa fotowoltaicznego powstaje na skutek zmiany liczby „dziur” i elektronów po różnych stronach złącza p-n w wyniku naświetlania warstwy n promieniami słonecznymi

Podłączone do obciążenia zewnętrznego w postaci akumulatora ogniwa fotowoltaiczne tworzą z nim zamknięty obwód. W rezultacie panel słoneczny działa jak swoiste koło, po którym wraz z białkami „biegają” elektrony. Akumulator natomiast stopniowo się ładuje.

Standardowe krzemowe fotowoltaiczne przetworniki są elementami jednozłączowymi. Przepływ elektronów w nich odbywa się tylko przez jedno złącze p-n z ograniczoną pod względem energii fotonów strefą tego złącza.

To znaczy, że każde takie ogniwo fotowoltaiczne jest w stanie wytwarzać energię elektryczną tylko z wąskiego spektrum promieniowania słonecznego. Cała pozostała energia jest marnowana. Dlatego też wydajność ogniw fotowoltaicznych jest tak niska.

Aby zwiększyć sprawność paneli słonecznych, krzemowe elementy półprzewodnikowe do nich w ostatnim czasie zaczęto produkować jako wielozłączowe (kaskadowe). W nowych FEP złącz jest już kilka. Co więcej, każde z nich w tej kaskadzie jest przeznaczone do własnego spektrum promieni słonecznych.

Całkowita wydajność konwersji fotonów na prąd elektryczny w takich ogniwach fotowoltaicznych wzrasta. Ale ich cena jest również znacznie wyższa. Tutaj mamy albo prostotę produkcji z niskim kosztem i niską sprawnością, albo wyższą wydajność w połączeniu z wysokim kosztem.

Panel słoneczny może pracować zarówno latem, jak i zimą (potrzebuje światła, a nie ciepła) – im mniejsze zachmurzenie i im jaśniej świeci słońce, tym więcej energii elektrycznej wygeneruje heliopanel.

Podczas pracy ogniwo fotowoltaiczne i cały panel stopniowo się nagrzewają. Cała energia, która nie została wykorzystana do wytwarzania prądu elektrycznego, przekształca się w ciepło. Często temperatura na powierzchni heliopanelu wzrasta do 50–55 °C. Jednak im wyższa temperatura, tym mniej wydajnie pracuje ogniwo fotogalwaniczne.

W rezultacie ten sam model panelu słonecznego w upale generuje mniej prądu niż podczas mrozu. Maksymalną sprawność ogniwa fotowoltaiczne osiągają w pogodny zimowy dzień. Wpływają na to dwa czynniki – dużo słońca i naturalne chłodzenie.

Ponadto, jeśli na panel będzie padał śnieg, to nadal będzie on wytwarzał energię elektryczną. Co więcej, płatki śniegu nawet nie zdążą się na nim zatrzymać, topniejąc od ciepła nagrzanych ogniw.

Efektywność baterii systemu solarnego

Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne nawet w południe przy bezchmurnej pogodzie wytwarza bardzo mało energii elektrycznej, wystarczającej co najwyżej do zasilania diodowej latarki.

Aby zwiększyć moc wyjściową, kilka ogniw PV łączy się równolegle w celu zwiększenia napięcia stałego oraz szeregowo w celu zwiększenia natężenia prądu.

Wydajność paneli słonecznych zależy od:

• temperatury powietrza i samego panelu;
• poprawności dobrania rezystancji obciążenia;
• kąta padania promieni słonecznych;
• obecności/braku powłoki antyrefleksyjnej;
• mocy strumienia świetlnego.

Im niższa temperatura na zewnątrz, tym efektywniej działają fotokomórki i cała bateria słoneczna. Tutaj wszystko jest proste. Natomiast w przypadku obliczania obciążenia sytuacja jest bardziej skomplikowana. Należy je dobierać na podstawie prądu generowanego przez panel. Jednak jego wielkość zmienia się w zależności od warunków pogodowych.

Panele słoneczne są produkowane z napięciem wyjściowym będącym wielokrotnością 12 V – jeśli do akumulatora trzeba podać 24 V, to dwa panele trzeba będzie do niego podłączyć równolegle.

Stałe monitorowanie parametrów baterii słonecznej i ręczne korygowanie jej pracy jest problematyczne. W tym celu lepiej skorzystać z kontrolera zarządzania, który w trybie automatycznym sam dostosowuje ustawienia panelu słonecznego, aby uzyskać od niego maksymalną wydajność i optymalne tryby pracy.

Idealny kąt padania promieni słonecznych na baterię słoneczną jest prosty. Jednak przy odchyleniu w granicach 30 stopni od prostopadłej, wydajność panelu spada tylko o około 5%. Ale przy dalszym zwiększaniu tego kąta coraz większa część promieniowania słonecznego będzie odbijana, zmniejszając tym samym sprawność ogniw fotowoltaicznych.

Jeśli od baterii wymaga się, aby maksymalnie produkowała energię latem, to należy ją ustawić prostopadle do średniego położenia Słońca, jakie zajmuje w dniach równonocy wiosennej i jesiennej.

Dla regionu moskiewskiego – jest to około 40–45 stopni względem poziomu. Jeśli maksimum jest potrzebne zimą, to panel należy ustawić w bardziej pionowej pozycji.

I jeszcze jedna kwestia – kurz i brud znacznie obniżają wydajność ogniw fotowoltaicznych. Fotony przez taką „brudną” przeszkodę po prostu do nich nie docierają, a więc nie ma co przekształcać w energię elektryczną. Panele należy regularnie myć albo ustawić tak, aby kurz był zmywany przez deszcz samodzielnie.

Niektóre baterie słoneczne mają wbudowane soczewki do skupiania promieniowania na ogniwach fotowoltaicznych. Przy bezchmurnej pogodzie prowadzi to do wzrostu sprawności. Jednak przy silnym zachmurzeniu soczewki te przynoszą tylko szkodę.

Jeśli zwykły panel w takiej sytuacji będzie nadal generował prąd, choć w mniejszych ilościach, to model z soczewkami przestanie działać prawie całkowicie.

Słońce powinno idealnie oświetlać baterię z ogniw fotowoltaicznych równomiernie. Jeśli jedna z jej części zostanie zaciemniona, to nieoświetlone ogniwa fotowoltaiczne zamieniają się w pasożytnicze obciążenie. Nie tylko w takiej sytuacji nie generują energii, ale także odbierają ją działającym elementom.

Panele należy instalować tak, aby na drodze promieni słonecznych nie znalazły się drzewa, budynki i inne przeszkody.

Schemat zasilania domu energią słoneczną

System zasilania energią słoneczną obejmuje:

1. Panele słoneczne.
2. Kontroler.
3. Akumulatory.
4. Inwerter (transformator).

Kontroler w tym schemacie chroni zarówno panele słoneczne, jak i akumulatory. Z jednej strony zapobiega przepływowi prądów wstecznych w nocy i przy pochmurnej pogodzie, a z drugiej – chroni akumulatory przed nadmiernym ładowaniem/rozładowaniem.

Akumulatory do paneli słonecznych należy dobierać o jednakowym wieku i pojemności, w przeciwnym razie ładowanie/rozładowanie będą przebiegać nierównomiernie, co doprowadzi do gwałtownego skrócenia ich żywotności.

Do transformacji prądu stałego o napięciu 12, 24 lub 48 V na prąd zmienny 220 V potrzebny jest inwerter. Nie zaleca się stosowania akumulatorów samochodowych w takim schemacie ze względu na ich niezdolność do wytrzymywania częstych przeładowań. Najlepiej zainwestować i zakupić specjalne żelowe AGM lub zalewane OPzS akumulatory.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Zasady działania i schematy podłączenia paneli słonecznych nie są zbyt skomplikowane do zrozumienia. A dzięki zebranym poniżej materiałom wideo jeszcze łatwiej będzie zrozumieć wszystkie niuanse funkcjonowania i instalacji paneli słonecznych.

Przystępnie i zrozumiale, jak działa fotowoltaiczny panel słoneczny, ze wszystkimi szczegółami:

Jak zbudowane są panele słoneczne, zobacz w następnym filmie:

Montaż panelu słonecznego z ogniw fotowoltaicznych własnymi rękami:

Każdy element w systemie zasilania energią słoneczną domku musi być dobrany prawidłowo. Nieuniknione straty mocy występują na akumulatorach, transformatorach i kontrolerze. I koniecznie trzeba je zminimalizować, w przeciwnym razie i tak już dość niska wydajność paneli słonecznych zostanie zredukowana do zera.

Czy podczas studiowania materiału pojawiły się pytania? A może znasz cenne informacje na temat artykułu i możesz podzielić się nimi z naszymi czytelnikami? Prosimy o pozostawienie swoich komentarzy w poniższym bloku.