Saulės baterijos veikimo principas: kaip veikia ir veikia saulės baterija

Daugelio žaliosios energijos apologetų puoselėjama svajonė yra efektyviai paversti laisvus saulės spindulius į energiją, kuri gali būti naudojama namams ir kitiems objektams aprūpinti.

Bet saulės baterijos veikimo principas ir efektyvumas yra toks, kad apie didelį tokių sistemų efektyvumą kol kas kalbėti nereikia. Būtų malonu turėti savo papildomą elektros šaltinį. Ar ne taip? Be to, net ir šiandien Rusijoje, saulės baterijų pagalba, nemažai privačių namų ūkių sėkmingai aprūpinama „nemokama“ elektra. Vis dar nežinote nuo ko pradėti?

Žemiau papasakosime apie saulės kolektorių konstrukciją ir veikimo principus, sužinosite, nuo ko priklauso saulės sistemos efektyvumas. Straipsnyje paskelbti vaizdo įrašai padės jums savo rankomis surinkti saulės bateriją iš fotoelementų.

Saulės baterijos: terminija

„Saulės energijos“ temoje yra gana daug niuansų ir painiavos. Pradedantiesiems dažnai iš pradžių sunku suprasti visus nepažįstamus terminus. Tačiau be to yra neprotinga verstis saulės energija, pirkti įrangą „saulės“ srovei generuoti.

Nežinodami, galite ne tik pasirinkti netinkamą skydelį, bet ir tiesiog sudeginti jį jungiant arba iš jo išgauti per mažai energijos.

Pirmiausia turėtumėte suprasti esamus saulės energijos įrangos tipus. Saulės baterijos ir saulės kolektoriai yra du iš esmės skirtingi įrenginiai. Abu jie konvertuoja saulės spindulių energiją.

Tačiau pirmuoju atveju vartotojas elektros energiją gauna išėjime, o antruoju – šiluminę energiją šildomo aušinimo skysčio pavidalu, t.y. saulės baterijos naudojamos namų šildymas.

Maksimalią saulės baterijos grąžą galima gauti tik žinant, kaip jis veikia, iš kokių komponentų ir mazgų jis susideda ir kaip visa tai teisingai prijungta

Antrasis niuansas yra termino „saulės baterija“ sąvoka. Paprastai žodis „baterija“ reiškia tam tikrą elektros saugojimo įrenginį. Arba į galvą ateina banalus šildymo radiatorius. Tačiau saulės baterijų atveju situacija kardinaliai skiriasi. Jie nieko savyje nekaupia.

Saulės baterija generuoja nuolatinę elektros srovę. Norint konvertuoti jį į kintamąjį (naudojamą kasdieniame gyvenime), grandinėje turi būti keitiklis

Saulės baterijos skirtos tik elektros srovei generuoti. Jis savo ruožtu kaupiamas namui tiekti elektra naktį, saulei nusileidus žemiau horizonto, jau papildomai objekto energijos tiekimo grandinėje esančiose baterijose.

Baterija čia reiškia tam tikrą panašių komponentų rinkinį, surinktą į vieną visumą. Tiesą sakant, tai tik kelių vienodų fotoelementų skydelis.

Vidinė saulės baterijos struktūra

Palaipsniui saulės baterijos tampa pigesnės ir efektyvesnės.Dabar jie naudojami gatvių lempų, išmaniųjų telefonų, elektromobilių, privačių namų ir palydovų baterijoms įkrauti. Jie netgi pradėjo statyti pilnavertes saulės elektrines (SPP) su dideliais gamybos kiekiais.

Saulės baterija susideda iš daugybės fotoelementų (fotoelektrinių keitiklių), kurie saulės fotonų energiją paverčia elektra

Kiekviena saulės baterija suprojektuota kaip tam tikro skaičiaus modulių blokas, kuriame sujungiami nuosekliai sujungti puslaidininkiniai fotoelementai. Norint suprasti tokios baterijos veikimo principus, būtina suprasti šios galutinės grandies veikimą saulės baterijų įrenginyje, sukurtoje puslaidininkių pagrindu.

Fotoelementų kristalų rūšys

Yra daugybė FEP variantų, pagamintų iš skirtingų cheminių elementų. Tačiau dauguma jų yra pradiniame etape. Kol kas pramoniniu mastu gaminamos tik plokštės, pagamintos iš silicio pagrindu pagamintų fotovoltinių elementų.

Silicio puslaidininkiai dėl mažos kainos naudojami saulės elementų gamyboje, jie negali pasigirti itin dideliu efektyvumu

Tipiškas saulės kolektorių fotoelementas yra plona dviejų silicio sluoksnių plokštelė, kurių kiekvienas turi savo fizines savybes. Tai klasikinė puslaidininkinė p-n jungtis su elektronų skylių poromis.

Kai fotonai patenka į fotovoltinę elementą tarp šių puslaidininkių sluoksnių, dėl kristalo nehomogeniškumo susidaro vartų foto-EMF, dėl kurio atsiranda potencialų skirtumas ir elektronų srovė.

Saulės elementų silicio plokštelės gamybos technologija skiriasi:

1. Monokristalinis.
2. Polikristalinis.

Pirmieji turi didesnį efektyvumą, tačiau jų gamybos kaina yra didesnė nei antrųjų. Išoriškai vieną saulės kolektorių variantą galima atskirti nuo kito pagal savo formą.

Monokristaliniai saulės elementai turi vienalytę struktūrą, jie pagaminti kvadratų su nupjautais kampais pavidalu. Priešingai, polikristaliniai elementai turi griežtai kvadratinę formą.

Polikristalai gaunami laipsniškai aušinant išlydytą silicį. Šis būdas itin paprastas, todėl tokie fotoelementai yra nebrangūs.

Tačiau jų našumas gaminant elektros energiją iš saulės spindulių retai viršija 15%. Taip yra dėl susidariusių silicio plokštelių „nešvarumo“ ir jų vidinės struktūros. Čia kuo grynesnis p-silicio sluoksnis, tuo didesnis saulės elemento efektyvumas iš jo.

Šiuo atžvilgiu pavienių kristalų grynumas yra daug didesnis nei polikristalinių analogų. Jie gaminami ne iš išlydyto, o iš dirbtinai išauginto kieto silicio kristalo. Tokių saulės elementų fotoelektrinės konversijos koeficientas jau siekia 20-22%.

Atskiri fotoelementai surenkami į bendrą modulį ant aliuminio rėmo, o apsaugai iš viršaus padengiami patvariu stiklu, kuris jokiu būdu netrukdo saulės spinduliams.

Viršutinis fotoelemento plokštės sluoksnis, nukreiptas į saulę, pagamintas iš to paties silicio, tačiau pridedant fosforo. Būtent pastarasis bus elektronų pertekliaus šaltinis pn sandūros sistemoje.

Tikras proveržis saulės energijos srityje buvo lanksčių plokščių su amorfiniu fotovoltiniu siliciu sukūrimas:

Saulės baterijos veikimo principas

Kai saulės šviesa krinta ant fotoelemento, jame susidaro nepusiausvyros elektronų skylės poros. Elektronų ir skylių perteklius dalinai per pn sandūrą perkeliamas iš vieno puslaidininkio sluoksnio į kitą.

Dėl to išorinėje grandinėje atsiranda įtampa. Šiuo atveju p sluoksnio kontakte susidaro teigiamas srovės šaltinio polius, o n sluoksnyje – neigiamas.

Potencialų skirtumas (įtampa) tarp fotoelemento kontaktų atsiranda dėl "skylių" ir elektronų skaičiaus pasikeitimo skirtingose ​​p-n sandūros pusėse dėl n sluoksnio apšvitinimo saulės spinduliais.

Fotoelementai, prijungti prie išorinės apkrovos akumuliatoriaus pavidalu, sudaro užburtą ratą. Dėl to saulės baterija veikia kaip savotiškas ratas, kuriuo elektronai „bėga“ kartu tarp baltymų. Ir akumuliatorius palaipsniui įkraunamas.

Standartiniai silicio fotovoltiniai keitikliai yra vienos jungties elementai.Elektronų srautas į juos vyksta tik per vieną p-n sandūrą su šio perėjimo zona, apribota fotonų energija.

Tai yra, kiekvienas toks fotoelementas gali generuoti elektros energiją tik iš siauro saulės spinduliuotės spektro. Visa kita energija švaistoma. Štai kodėl FEP efektyvumas yra toks mažas.

Siekiant padidinti saulės elementų efektyvumą, pastaruoju metu silicio puslaidininkiniai elementai jiems pradėti daryti daugiasandūriniais (kaskadiniais). Naujuose saulės elementuose jau yra keletas perėjimų. Be to, kiekvienas iš jų šioje kaskadoje yra skirtas savo saulės šviesos spektrui.

Galų gale padidėja bendras tokių fotoelementų fotonų pavertimo elektros srove efektyvumas. Tačiau jų kaina yra daug didesnė. Čia arba paprasta gamyba, maža kaina ir mažas efektyvumas, arba didesnė grąža kartu su didelėmis sąnaudomis.

Saulės baterija gali veikti tiek vasarą, tiek žiemą (reikia šviesos, o ne šilumos) – kuo mažiau debesuota ir kuo skaisčiau šviečia saulė, tuo daugiau elektros srovės generuos saulės baterija

Veikimo metu fotoelementas ir visa baterija palaipsniui įkaista. Visa energija, kuri nebuvo panaudota elektros srovei generuoti, paverčiama šiluma. Dažnai saulės baterijos paviršiaus temperatūra pakyla iki 50–55 °C. Tačiau kuo jis didesnis, tuo mažiau efektyviai veikia fotovoltinis elementas.

Dėl to to paties modelio saulės baterija karštu oru generuoja mažiau srovės nei šaltu oru. Fotoelementai rodo maksimalų efektyvumą giedrą žiemos dieną. Čia veikia du veiksniai – daug saulės ir natūralus vėsinimas.

Be to, jei ant skydo iškris sniegas, jis ir toliau gamins elektrą.Be to, snaigės net neturės laiko ant jos daug gulėti, ištirpusios nuo įkaitusių fotoelementų karščio.

Saulės baterijos efektyvumas

Vienas fotoelementas, net ir vidurdienį esant giedram orui, pagamina labai mažai elektros energijos, jos pakanka tik LED žibintuvėlio veikimui.

Norint padidinti išėjimo galią, keli saulės elementai sujungiami lygiagrečioje grandinėje, kad padidintų nuolatinę įtampą, ir nuoseklioje grandinėje, kad padidintų srovę.

Saulės baterijų efektyvumas priklauso nuo:

• oro ir pačios baterijos temperatūra;
• teisingas atsparumo apkrovai pasirinkimas;
• saulės šviesos kritimo kampas;
• antirefleksinės dangos buvimas / nebuvimas;
• šviesos srauto galia.

Kuo žemesnė temperatūra lauke, tuo efektyviau veikia fotoelementai ir visa saulės baterija. Čia viskas paprasta. Tačiau apskaičiuojant apkrovą situacija yra sudėtingesnė. Jis turėtų būti pasirinktas pagal skydelio tiekiamą srovę. Tačiau jo vertė skiriasi priklausomai nuo oro veiksnių.

Saulės baterijos gaminamos su 12 V kartotine išėjimo įtampa – jei į bateriją reikia tiekti 24 V, tada lygiagrečiai prie jo reikės prijungti dvi plokštes.

Nuolat stebėti saulės baterijos parametrus ir rankiniu būdu reguliuoti jo veikimą yra problematiška. Tam geriau naudoti valdymo valdiklis, kuri automatiškai koreguoja saulės baterijos nustatymus, kad iš jo būtų pasiektas maksimalus našumas ir optimalūs darbo režimai.

Idealus saulės spindulių kritimo kampas į saulės bateriją yra tiesus. Tačiau jei nuokrypis nuo statmeno yra 30 laipsnių ribose, plokštės efektyvumas sumažėja tik apie 5%.Tačiau toliau padidėjus šiam kampui, atsispindės vis didesnė saulės spinduliuotės dalis, o tai sumažins saulės elemento efektyvumą.

Jei baterija turi gaminti maksimalią energiją vasarą, ji turi būti nukreipta statmenai vidutinei saulės padėčiai, kurią ji užima lygiadieniais pavasarį ir rudenį.

Maskvos regione tai yra maždaug 40–45 laipsniai horizonto atžvilgiu. Jei žiemą reikia maksimumo, tada skydas turi būti pastatytas į vertikalią padėtį.

Ir dar vienas dalykas – dulkės ir purvas labai sumažina fotoelementų veikimą. Per tokį „nešvarų“ barjerą fotonai jų tiesiog nepasiekia, vadinasi, nėra ko paversti elektra. Plokštes reikia reguliariai plauti arba padėti taip, kad dulkes savaime nuplautų lietus.

Kai kuriose saulės baterijose yra įmontuoti lęšiai, skirti sutelkti spinduliuotę į saulės elementą. Giedru oru tai padidina efektyvumą. Tačiau esant dideliems debesims šie lęšiai daro tik žalą.

Jei įprastas skydelis tokioje situacijoje ir toliau generuos srovę, nors ir mažesniais kiekiais, tada objektyvo modelis beveik visiškai nustos veikti.

Idealiu atveju saulė turėtų tolygiai apšviesti fotoelementų bateriją. Jei viena iš jo sekcijų yra patamsėjusi, neapšviesti saulės elementai virsta parazitine apkrova. Jie ne tik negeneruoja energijos tokioje situacijoje, bet ir atima ją iš veikiančių elementų.

Plokštės turi būti sumontuotos taip, kad saulės spindulių kelyje nebūtų medžių, pastatų ar kitų kliūčių.

Namo saulės energijos tiekimo schema

Saulės energijos tiekimo sistemą sudaro:

1. Saulės elementai.
2. Valdiklis.
3. Baterijos.
4. Inverteris (transformatorius).

Šios grandinės valdiklis apsaugo ir saulės baterijas, ir baterijas. Viena vertus, jis neleidžia tekėti atvirkštinėms srovėms naktį ir debesuotu oru, o iš kitos – apsaugo baterijas nuo per didelio įkrovimo/iškrovimo.

Įkraunamos saulės baterijos turėtų būti parenkamos vienodo amžiaus ir talpos, kitaip įkrovimas / iškrovimas vyks netolygiai, o tai smarkiai sumažins jų tarnavimo laiką.

Norėdami paversti 12, 24 arba 48 voltų nuolatinę srovę į kintamąją 220 voltų srovę, jums reikia inverteris. Automobilių akumuliatorių nerekomenduojama naudoti tokioje grandinėje, nes jie negali atlaikyti dažno įkrovimo. Geriausia išleisti pinigus ir įsigyti specialių helio AGM arba užtvindytų OPzS akumuliatorių.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Veikimo principai ir saulės kolektorių prijungimo schemos ne per sunku suprasti. O su vaizdo medžiaga, kurią surinkome žemiau, bus dar lengviau suprasti visas saulės baterijų veikimo ir įrengimo subtilybes.

Prieinama ir suprantama, kaip veikia fotovoltinė saulės baterija, su visomis detalėmis:

Kaip veikia saulės baterijos, žiūrėkite šiame vaizdo įraše:

„Pasidaryk pats“ saulės kolektorių surinkimas iš fotoelementų:

Kiekvienas elementas saulės energijos sistema kotedžas turi būti pasirinktas teisingai. Neišvengiami energijos nuostoliai atsiranda akumuliatoriuose, transformatoriuose ir valdiklyje. Ir jie turi būti sumažinti iki minimumo, kitaip ir taip žemas saulės baterijų efektyvumas sumažės iki nulio.

Ar studijuodami medžiagą turėjote klausimų? O gal žinote vertingos informacijos straipsnio tema ir galite ja pasidalinti su mūsų skaitytojais? Prašome palikti savo komentarus žemiau esančiame bloke.