Η αρχή λειτουργίας μιας ηλιακής μπαταρίας: πώς λειτουργεί και λειτουργεί ένα ηλιακό πάνελ

Η αποτελεσματική μετατροπή των ελεύθερων ακτίνων του ήλιου σε ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία κατοικιών και άλλων εγκαταστάσεων είναι το αγαπημένο όνειρο πολλών απολογητών της πράσινης ενέργειας.

Αλλά η αρχή λειτουργίας της ηλιακής μπαταρίας και η απόδοσή της είναι τέτοια που δεν χρειάζεται να μιλήσουμε για την υψηλή απόδοση τέτοιων συστημάτων ακόμα. Θα ήταν ωραίο να έχετε τη δική σας πρόσθετη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Δεν είναι? Επιπλέον, ακόμη και σήμερα στη Ρωσία, με τη βοήθεια ηλιακών συλλεκτών, ένας σημαντικός αριθμός ιδιωτικών νοικοκυριών τροφοδοτείται επιτυχώς με «δωρεάν» ηλεκτρική ενέργεια. Ακόμα δεν ξέρετε από πού να ξεκινήσετε;

Παρακάτω θα σας πούμε για τον σχεδιασμό και τις αρχές λειτουργίας ενός ηλιακού πάνελ· θα μάθετε από τι εξαρτάται η απόδοση ενός ηλιακού συστήματος. Και τα βίντεο που δημοσιεύονται στο άρθρο θα σας βοηθήσουν να συναρμολογήσετε ένα ηλιακό πάνελ από φωτοκύτταρα με τα χέρια σας.

Ηλιακά πάνελ: ορολογία

Υπάρχουν πολλές αποχρώσεις και σύγχυση στο θέμα της "ηλιακής ενέργειας". Συχνά είναι δύσκολο για τους αρχάριους να καταλάβουν όλους τους άγνωστους όρους στην αρχή. Αλλά χωρίς αυτό, δεν είναι λογικό να ασχολούμαστε με την ηλιακή ενέργεια, αγοράζοντας εξοπλισμό για την παραγωγή «ηλιακού» ρεύματος.

Εν αγνοία σας, μπορείτε όχι μόνο να επιλέξετε λάθος πίνακα, αλλά και απλά να το κάψετε όταν το συνδέετε ή να εξάγετε πολύ λίγη ενέργεια από αυτό.

Αρχικά, θα πρέπει να κατανοήσετε τους υπάρχοντες τύπους εξοπλισμού για την ηλιακή ενέργεια. Τα ηλιακά πάνελ και οι ηλιακοί συλλέκτες είναι δύο θεμελιωδώς διαφορετικές συσκευές. Και οι δύο μετατρέπουν την ενέργεια των ακτίνων του ήλιου.

Ωστόσο, στην πρώτη περίπτωση, ο καταναλωτής λαμβάνει ηλεκτρική ενέργεια στην έξοδο και στη δεύτερη, θερμική ενέργεια με τη μορφή θερμαινόμενου ψυκτικού, δηλ. τα ηλιακά πάνελ χρησιμοποιούνται για θέρμανση σπιτιού.

Η μέγιστη απόδοση από ένα ηλιακό πάνελ μπορεί να επιτευχθεί μόνο αν γνωρίζουμε πώς λειτουργεί, από ποια εξαρτήματα και συγκροτήματα αποτελείται και πώς είναι όλα σωστά συνδεδεμένα

Η δεύτερη απόχρωση είναι η έννοια του όρου "ηλιακή μπαταρία". Συνήθως, η λέξη "μπαταρία" αναφέρεται σε κάποιο είδος ηλεκτρικής συσκευής αποθήκευσης. Ή ένα μπανάλ καλοριφέρ θέρμανσης έρχεται στο μυαλό. Ωστόσο, στην περίπτωση των ηλιακών μπαταριών η κατάσταση είναι ριζικά διαφορετική. Δεν συσσωρεύουν τίποτα στον εαυτό τους.

Το ηλιακό πάνελ παράγει σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα. Για να το μετατρέψετε σε μεταβλητό (που χρησιμοποιείται στην καθημερινή ζωή), πρέπει να υπάρχει ένας μετατροπέας στο κύκλωμα

Τα ηλιακά πάνελ έχουν σχεδιαστεί αποκλειστικά για να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Με τη σειρά του, συσσωρεύεται για να τροφοδοτεί το σπίτι με ηλεκτρισμό τη νύχτα, όταν ο ήλιος πέφτει κάτω από τον ορίζοντα, ήδη στις μπαταρίες που υπάρχουν επιπλέον στο κύκλωμα παροχής ενέργειας της εγκατάστασης.

Η μπαταρία εδώ εννοείται στο πλαίσιο ενός συγκεκριμένου συνόλου παρόμοιων εξαρτημάτων που συναρμολογούνται σε ένα ενιαίο σύνολο. Στην πραγματικότητα, είναι απλώς ένα πάνελ από πολλά πανομοιότυπα φωτοκύτταρα.

Εσωτερική δομή μιας ηλιακής μπαταρίας

Σταδιακά, τα ηλιακά πάνελ γίνονται φθηνότερα και πιο αποτελεσματικά.Τώρα χρησιμοποιούνται για την επαναφόρτιση μπαταριών σε λαμπτήρες δρόμου, smartphone, ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ιδιωτικές κατοικίες και σε δορυφόρους στο διάστημα. Άρχισαν μάλιστα να κατασκευάζουν πλήρεις σταθμούς ηλιακής ενέργειας (SPP) με μεγάλους όγκους παραγωγής.

Μια ηλιακή μπαταρία αποτελείται από πολλά φωτοκύτταρα (φωτοηλεκτρικοί μετατροπείς) που μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων από τον ήλιο σε ηλεκτρική

Κάθε ηλιακή μπαταρία έχει σχεδιαστεί ως ένα μπλοκ ενός συγκεκριμένου αριθμού μονάδων, που συνδυάζουν φωτοκύτταρα ημιαγωγών συνδεδεμένα σε σειρά. Για να κατανοήσουμε τις αρχές λειτουργίας μιας τέτοιας μπαταρίας, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τη λειτουργία αυτού του τελικού συνδέσμου στη συσκευή ηλιακού πάνελ, που δημιουργήθηκε με βάση ημιαγωγούς.

Τύποι κρυστάλλων φωτοκυττάρων

Υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός επιλογών FEP κατασκευασμένων από διαφορετικά χημικά στοιχεία. Ωστόσο, τα περισσότερα από αυτά είναι εξελίξεις στα αρχικά στάδια. Μέχρι στιγμής, μόνο πάνελ κατασκευασμένα από φωτοβολταϊκά στοιχεία με βάση το πυρίτιο παράγονται επί του παρόντος σε βιομηχανική κλίμακα.

Οι ημιαγωγοί πυριτίου χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ηλιακών κυψελών λόγω του χαμηλού κόστους τους, δεν μπορούν να καυχηθούν για ιδιαίτερα υψηλή απόδοση

Ένα τυπικό φωτοκύτταρο σε ένα ηλιακό πάνελ είναι μια λεπτή γκοφρέτα από δύο στρώματα πυριτίου, καθένα από τα οποία έχει τις δικές του φυσικές ιδιότητες. Αυτή είναι μια κλασική σύνδεση p-n ημιαγωγών με ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών.

Όταν τα φωτόνια χτυπούν το φωτοβολταϊκό στοιχείο ανάμεσα σε αυτά τα στρώματα ημιαγωγών, λόγω της ανομοιογένειας του κρυστάλλου, σχηματίζεται ένα φωτο-EMF πύλης, με αποτέλεσμα διαφορά δυναμικού και ρεύμα ηλεκτρονίων.

Οι γκοφρέτες πυριτίου των ηλιακών κυψελών διαφέρουν στην τεχνολογία κατασκευής σε:

1. Μονοκρυσταλλικό.
2. Πολυκρυσταλλικό.

Τα πρώτα έχουν υψηλότερη απόδοση, αλλά το κόστος παραγωγής τους είναι υψηλότερο από αυτό των δεύτερων. Εξωτερικά, μια επιλογή μπορεί να διακρίνεται από την άλλη σε ένα ηλιακό πάνελ από το σχήμα της.

Τα μονοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα έχουν ομοιογενή δομή· κατασκευάζονται με τη μορφή τετραγώνων με κομμένες γωνίες. Αντίθετα, τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία έχουν αυστηρά τετράγωνο σχήμα.

Οι πολυκρυστάλλοι λαμβάνονται με σταδιακή ψύξη του τηγμένου πυριτίου. Αυτή η μέθοδος είναι εξαιρετικά απλή, γι' αυτό και τέτοια φωτοκύτταρα είναι φθηνά.

Όμως η παραγωγικότητά τους όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ηλιακές ακτίνες σπάνια ξεπερνά το 15%. Αυτό οφείλεται στην «ακαθαρσία» των προκυπτόντων πλακών πυριτίου και στην εσωτερική τους δομή. Εδώ, όσο πιο καθαρό είναι το στρώμα p-πυριτίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση του ηλιακού κυττάρου από αυτό.

Η καθαρότητα των μονοκρυστάλλων από αυτή την άποψη είναι πολύ υψηλότερη από αυτή των πολυκρυσταλλικών αναλόγων. Κατασκευάζονται όχι από λιωμένο, αλλά από τεχνητά αναπτυγμένο στερεό κρύσταλλο πυριτίου. Ο συντελεστής φωτοηλεκτρικής μετατροπής τέτοιων ηλιακών κυψελών φτάνει ήδη το 20-22%.

Τα μεμονωμένα φωτοκύτταρα συναρμολογούνται σε μια κοινή μονάδα σε πλαίσιο αλουμινίου και για την προστασία τους καλύπτονται από πάνω με ανθεκτικό γυαλί, το οποίο δεν παρεμβαίνει σε καμία περίπτωση στις ακτίνες του ήλιου

Το επάνω στρώμα της πλάκας φωτοκυττάρων που βλέπει προς τον ήλιο είναι κατασκευασμένο από το ίδιο πυρίτιο, αλλά με την προσθήκη φωσφόρου. Είναι το τελευταίο που θα είναι η πηγή της περίσσειας ηλεκτρονίων στο σύστημα διασταύρωσης pn.

Μια πραγματική σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της ηλιακής ενέργειας ήταν η ανάπτυξη εύκαμπτων πάνελ με άμορφο φωτοβολταϊκό πυρίτιο:

Αρχή λειτουργίας ηλιακού πάνελ

Όταν το ηλιακό φως πέφτει σε ένα φωτοκύτταρο, δημιουργούνται σε αυτό ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών χωρίς ισορροπία. Η περίσσεια ηλεκτρονίων και οπών μεταφέρονται εν μέρει μέσω της διασταύρωσης pn από το ένα στρώμα του ημιαγωγού στο άλλο.

Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται τάση στο εξωτερικό κύκλωμα. Σε αυτή την περίπτωση, ένας θετικός πόλος της πηγής ρεύματος σχηματίζεται στην επαφή του στρώματος p και ένας αρνητικός πόλος στο στρώμα n.

Η διαφορά δυναμικού (τάση) μεταξύ των επαφών του φωτοκυττάρου εμφανίζεται λόγω μιας αλλαγής στον αριθμό των "οπών" και των ηλεκτρονίων σε διαφορετικές πλευρές της ένωσης p-n ως αποτέλεσμα της ακτινοβολίας της n-στιβάδας με ηλιακές ακτίνες

Τα φωτοκύτταρα που συνδέονται με ένα εξωτερικό φορτίο με τη μορφή μπαταρίας σχηματίζουν έναν φαύλο κύκλο μαζί του. Ως αποτέλεσμα, το ηλιακό πάνελ λειτουργεί σαν ένα είδος τροχού κατά μήκος του οποίου τα ηλεκτρόνια «τρέχουν» μαζί μεταξύ των πρωτεϊνών. Και η μπαταρία σταδιακά αποκτά φόρτιση.

Οι τυπικοί φωτοβολταϊκοί μετατροπείς πυριτίου είναι κυψέλες μονής διασταύρωσης.Η ροή ηλεκτρονίων σε αυτά συμβαίνει μόνο μέσω μιας σύνδεσης p-n με μια ζώνη αυτής της μετάβασης περιορισμένης σε ενέργεια φωτονίων.

Δηλαδή, κάθε τέτοιο φωτοκύτταρο είναι ικανό να παράγει ηλεκτρική ενέργεια μόνο από ένα στενό φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας. Όλη η άλλη ενέργεια χάνεται. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η απόδοση του FEP είναι τόσο χαμηλή.

Για να αυξηθεί η απόδοση των ηλιακών κυψελών, τα στοιχεία ημιαγωγών πυριτίου για αυτά άρχισαν πρόσφατα να γίνονται πολυσύνδεσμοι (cascade). Υπάρχουν ήδη αρκετές μεταβάσεις στα νέα ηλιακά κύτταρα. Επιπλέον, καθένα από αυτά σε αυτόν τον καταρράκτη έχει σχεδιαστεί για το δικό του φάσμα ηλιακού φωτός.

Η συνολική απόδοση της μετατροπής φωτονίων σε ηλεκτρικό ρεύμα για τέτοια φωτοκύτταρα τελικά αυξάνεται. Αλλά η τιμή τους είναι πολύ υψηλότερη. Εδώ, είτε ευκολία κατασκευής με χαμηλό κόστος και χαμηλή απόδοση, είτε υψηλότερες αποδόσεις σε συνδυασμό με υψηλό κόστος.

Το ηλιακό πάνελ μπορεί να λειτουργήσει τόσο το καλοκαίρι όσο και το χειμώνα (χρειάζεται φως, όχι θερμότητα) - όσο λιγότερο νεφελώδης και όσο πιο φωτεινός λάμπει ο ήλιος, τόσο περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα θα παράγει το ηλιακό πάνελ

Κατά τη λειτουργία, το φωτοκύτταρο και ολόκληρη η μπαταρία θερμαίνονται σταδιακά. Όλη η ενέργεια που δεν χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μετατρέπεται σε θερμότητα. Συχνά η θερμοκρασία στην επιφάνεια του ηλιακού πάνελ ανεβαίνει στους 50–55 °C. Αλλά όσο υψηλότερο είναι, τόσο λιγότερο αποτελεσματικά λειτουργεί το φωτοβολταϊκό στοιχείο.

Ως αποτέλεσμα, το ίδιο μοντέλο ηλιακής μπαταρίας παράγει λιγότερο ρεύμα σε ζεστό καιρό παρά σε κρύο καιρό. Τα φωτοκύτταρα δείχνουν μέγιστη απόδοση σε μια καθαρή χειμωνιάτικη μέρα. Υπάρχουν δύο παράγοντες που παίζουν εδώ - πολύς ήλιος και φυσική ψύξη.

Επιπλέον, εάν πέσει χιόνι στον πίνακα, θα συνεχίσει να παράγει ηλεκτρική ενέργεια.Επιπλέον, οι νιφάδες χιονιού δεν θα έχουν καν χρόνο να ξαπλώσουν πολύ πάνω του, αφού έχουν λιώσει από τη θερμότητα των θερμαινόμενων φωτοκυττάρων.

Απόδοση ηλιακής μπαταρίας

Ένα φωτοκύτταρο, ακόμη και το μεσημέρι με καθαρό καιρό, παράγει πολύ λίγη ηλεκτρική ενέργεια, αρκετή μόνο για τη λειτουργία ενός φακού LED.

Για να αυξηθεί η ισχύς εξόδου, πολλά ηλιακά κύτταρα συνδυάζονται σε ένα παράλληλο κύκλωμα για να αυξήσουν την τάση DC και σε ένα κύκλωμα σειράς για να αυξήσουν το ρεύμα.

Η απόδοση των ηλιακών συλλεκτών εξαρτάται από:

• θερμοκρασία του αέρα και της ίδιας της μπαταρίας.
• σωστή επιλογή αντίστασης φορτίου.
• γωνία πρόσπτωσης του ηλιακού φωτός.
• παρουσία/απουσία αντιανακλαστικής επίστρωσης.
• ισχύς φωτεινής ροής.

Όσο χαμηλότερη είναι η εξωτερική θερμοκρασία, τόσο πιο αποτελεσματικά λειτουργούν τα φωτοκύτταρα και η ηλιακή μπαταρία συνολικά. Όλα είναι απλά εδώ. Αλλά με τον υπολογισμό του φορτίου η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη. Θα πρέπει να επιλεγεί με βάση το ρεύμα που παρέχεται από τον πίνακα. Αλλά η αξία του ποικίλλει ανάλογα με τους καιρικούς παράγοντες.

Τα ηλιακά πάνελ παράγονται με τάση εξόδου που είναι πολλαπλάσιο των 12 V - εάν πρέπει να τροφοδοτηθούν 24 V στην μπαταρία, τότε θα πρέπει να συνδεθούν παράλληλα δύο πάνελ σε αυτήν

Η συνεχής παρακολούθηση των παραμέτρων μιας ηλιακής μπαταρίας και η χειροκίνητη ρύθμιση της λειτουργίας της είναι προβληματική. Για αυτό είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε ελεγκτής ελέγχου, το οποίο προσαρμόζει αυτόματα τις ρυθμίσεις του ηλιακού πάνελ ώστε να επιτυγχάνεται μέγιστη απόδοση και βέλτιστοι τρόποι λειτουργίας από αυτό.

Η ιδανική γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων του ήλιου σε μια ηλιακή μπαταρία είναι ευθεία. Ωστόσο, εάν η απόκλιση είναι εντός 30 μοιρών από την κάθετο, η απόδοση του πίνακα πέφτει μόνο κατά περίπου 5%.Αλλά με μια περαιτέρω αύξηση αυτής της γωνίας, ένα αυξανόμενο ποσοστό ηλιακής ακτινοβολίας θα ανακλάται, μειώνοντας έτσι την απόδοση του ηλιακού στοιχείου.

Εάν η μπαταρία χρειάζεται να παράγει μέγιστη ενέργεια το καλοκαίρι, τότε θα πρέπει να προσανατολίζεται κάθετα στη μέση θέση του Ήλιου, την οποία καταλαμβάνει στις ισημερίες την άνοιξη και το φθινόπωρο.

Για την περιοχή της Μόσχας, αυτό είναι περίπου 40-45 μοίρες στον ορίζοντα. Εάν το μέγιστο χρειάζεται το χειμώνα, τότε το πάνελ πρέπει να τοποθετηθεί σε πιο κάθετη θέση.

Και κάτι ακόμα - η σκόνη και η βρωμιά μειώνουν σημαντικά την απόδοση των φωτοκυττάρων. Τα φωτόνια απλά δεν τα φτάνουν μέσα από ένα τέτοιο «βρώμικο» φράγμα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει τίποτα για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα πάνελ πρέπει να πλένονται τακτικά ή να τοποθετούνται έτσι ώστε η σκόνη να ξεπλένεται από μόνη της από τη βροχή.

Ορισμένα ηλιακά πάνελ έχουν ενσωματωμένους φακούς για τη συγκέντρωση της ακτινοβολίας στο ηλιακό στοιχείο. Σε καθαρό καιρό αυτό οδηγεί σε αυξημένη απόδοση. Ωστόσο, σε βαριά σύννεφα, αυτοί οι φακοί προκαλούν μόνο κακό.

Εάν ένα συμβατικό πάνελ σε μια τέτοια κατάσταση συνεχίσει να παράγει ρεύμα, αν και σε μικρότερους όγκους, τότε το μοντέλο φακού θα σταματήσει να λειτουργεί σχεδόν εντελώς.

Ο ήλιος θα πρέπει ιδανικά να φωτίζει ομοιόμορφα μια μπαταρία φωτοκυττάρων. Εάν ένα από τα τμήματα του αποδειχθεί σκοτεινό, τότε τα μη φωτισμένα ηλιακά κύτταρα μετατρέπονται σε παρασιτικό φορτίο. Όχι μόνο δεν παράγουν ενέργεια σε μια τέτοια κατάσταση, αλλά την αφαιρούν και από τα λειτουργικά στοιχεία.

Τα πάνελ πρέπει να τοποθετηθούν έτσι ώστε να μην υπάρχουν δέντρα, κτίρια ή άλλα εμπόδια στη διαδρομή των ακτίνων του ήλιου.

Διάγραμμα τροφοδοσίας ηλιακής ενέργειας σπιτιού

Το ηλιακό σύστημα τροφοδοσίας περιλαμβάνει:

1. Ηλιακούς συλλέκτες.
2. Ελεγκτής.
3. Μπαταρίες.
4. Μετατροπέας (μετασχηματιστής).

Ο ελεγκτής σε αυτό το κύκλωμα προστατεύει τόσο τους ηλιακούς συλλέκτες όσο και τις μπαταρίες. Αφενός αποτρέπει τη ροή αντίστροφων ρευμάτων τη νύχτα και με συννεφιά και αφετέρου προστατεύει τις μπαταρίες από υπερβολική φόρτιση/εκφόρτιση.

Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες για ηλιακούς συλλέκτες θα πρέπει να επιλέγονται ίδια σε ηλικία και χωρητικότητα, διαφορετικά η φόρτιση/εκφόρτιση θα γίνει άνισα, γεγονός που θα οδηγήσει σε απότομη μείωση της διάρκειας ζωής τους

Για να μετατρέψετε συνεχές ρεύμα 12, 24 ή 48 βολτ σε εναλλασσόμενο ρεύμα 220 βολτ χρειάζεστε αντιστροφέας. Οι μπαταρίες αυτοκινήτου δεν συνιστώνται για χρήση σε τέτοιο κύκλωμα λόγω της αδυναμίας τους να αντέξουν τη συχνή επαναφόρτιση. Είναι καλύτερο να ξοδέψετε χρήματα και να αγοράσετε ειδικές μπαταρίες ηλίου AGM ή πλημμυρισμένες μπαταρίες OPzS.

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Αρχές λειτουργίας και διαγράμματα σύνδεσης ηλιακών συλλεκτών όχι πολύ δύσκολο να το καταλάβεις. Και με τα υλικά βίντεο που έχουμε συλλέξει παρακάτω, θα είναι ακόμα πιο εύκολο να κατανοήσουμε όλες τις περιπλοκές της λειτουργίας και εγκατάστασης των ηλιακών συλλεκτών.

Είναι προσιτό και κατανοητό πώς λειτουργεί μια φωτοβολταϊκή ηλιακή μπαταρία, με όλες τις λεπτομέρειες:

Δείτε πώς λειτουργούν τα ηλιακά πάνελ στο παρακάτω βίντεο:

Συναρμολόγηση ηλιακού πάνελ DIY από φωτοκύτταρα:

Κάθε στοιχείο σε ηλιακό σύστημα ενέργειας εξοχικό σπίτι πρέπει να επιλεγεί σωστά. Αναπόφευκτες απώλειες ισχύος συμβαίνουν στις μπαταρίες, τους μετασχηματιστές και τον ελεγκτή. Και πρέπει να μειωθούν στο ελάχιστο, διαφορετικά η ήδη μάλλον χαμηλή απόδοση των ηλιακών συλλεκτών θα μειωθεί στο μηδέν.

Είχατε ερωτήσεις κατά τη μελέτη του υλικού; Ή γνωρίζετε πολύτιμες πληροφορίες για το θέμα του άρθρου και μπορείτε να τις μοιραστείτε με τους αναγνώστες μας; Αφήστε τα σχόλιά σας στο παρακάτω μπλοκ.