Принцип на работа на слънчевата батерия: как е устроена и как работи слънчевата панел

Ефективното преобразуване на безплатните слънчеви лъчи в енергия, която може да се използва за електроснабдяване на жилища и други обекти, е мечта на много привърженици на зелената енергетика.

Но принципът на работа на слънчевата батерия и нейната ефективност са такива, че за висока ефективност на подобни системи все още не може да се говори. Би било добре да се сдобиете със собствен допълнителен източник на електроенергия. Нали? Още повече, че вече днес и в Русия с помощта на соларни панели „безплатна“ електроенергия успешно се доставя на немалко частни домакинства. Все още не знаете откъде да започнете?

По-долу ще ви разкажем за устройството и принципите на работа на слънчевия панел, ще научите от какво зависи ефективността на соларната система. А видеоклиповете, поместени в статията, ще ви помогнат сами да сглобите слънчев панел от фотоволтаични елементи.

Слънчеви батерии: терминология

В тематиката на „слънчевата енергетика“ има доста нюанси и объркване. Често на начинаещите им е трудно да разберат всички непознати термини в началото. Но без това да се занимавате със слънчева енергетика, придобивайки оборудване за генериране на „слънчев“ ток, е неразумно.

От незнание може не само да изберете неподходящ панел, но и просто да го изгорите при свързване, или да извлечете от него твърде малко количество енергия.

Първо трябва да се запознаем със съществуващите разновидности на оборудването за хелиоенергетика. Слънчевите батерии и слънчевите колектори са две принципно различни устройства. И двете преобразуват енергията на слънчевите лъчи.

В първия случай на изхода потребителят получава електрическа енергия, а във втория – топлинна под формата на нагрят топлоносител, т.е. слънчевите панели се използват за отопление на дома.

Максимална ефективност от слънчевата панел може да се получи само ако знаем как работи тя, от какви компоненти и възли е съставена и как всичко това се свързва правилно.

Вторият нюанс е понятието на самия термин «слънчева батерия». Обикновено под думата «батерия» се разбира някакво акумулиращо електрическа енергия устройство. Или на ум идва банален отоплителен радиатор. Въпреки това в случая с хелиобатериите ситуацията е коренно различна. Те не натрупват нищо в себе си.

От слънчевата панел се генерира постоянен електрически ток. За да се преобразува в променлив (използван в бита), в схемата трябва да присъства инвертор.

Слънчевите батерии са предназначени единствено за генериране на електрически ток. Той, от своя страна, се натрупва за захранване на дома с електричество през нощта, когато слънцето залезе зад хоризонта, вече в присъстващите допълнително в схемата на енергийното осигуряване на обекта акумулатори.

Батерия тук се подразбира в контекста на някаква съвкупност от еднотипни компоненти, събрани в нещо единно цяло. Всъщност това е просто панел от няколко еднакви фотоелемента.

Вътрешно устройство на слънчевата батерия

Постепенно слънчевите батерии стават все по-евтини и по-ефективни. В момента те се използват за презареждане на акумулатори в улични лампи, смартфони, електромобили, частни домове и на сателити в космоса. От тях дори започнаха да се строят пълноценни слънчеви електроцентрали (СЕЦ) с големи обеми на генериране.

Хелиобатерията се състои от множество фотоелементи (фотоелектрически преобразуватели ФЕП), които преобразуват енергията на фотоните от слънцето в електрическа енергия.

Всяка слънчева батерия е устроена като блок от n на брой модули, които обединяват последователно свързани полупроводникови фотоелементи. За да се разберат принципите на функциониране на такава батерия, е необходимо да се разбере работата на това крайно звено в устройството на слънчевия панел, създадено на базата на полупроводници.

Видове кристали на фотоволтаични елементи

Варианти на фотоелементи от различни химични елементи има огромно количество. Но по-голямата част от тях са разработки в начални етапи. В промишлени мащаби в момента се произвеждат само панели от фотоелементи на основата на силиций.

Силициевите полупроводници се използват при производството на слънчеви батерии поради тяхната евтиност, но с особено висок КПД те не могат да се похвалят.

Обикновеният фотоелемент в слънчевия панел представлява тънка пластина от два слоя силиций, всеки от които има свои физически свойства. Това е класически полупроводников p-n преход с електронно-дупчести двойки.

При попадане на фотони върху фотоелемента между тези слоеве на полупроводника поради нееднородността на кристала се образува вентилна фото-ЕДС, в резултат на което възниква разлика в потенциалите и ток от електрони.

Силициевите пластини на фотоелементите се различават по технология на изработка на:

1. Монокристални.
2. Поликристални.

Първите имат по-висок КПД, но и себестойността на тяхното производство е по-висока, отколкото на вторите. Външно единият вариант от другия на слънчев панел може да се различи по форма.

При монокристалните ФЕП структурата е хомогенна, те са изпълнени като квадрати със срязани ъгли. За разлика от тях, поликристалните елементи имат строго квадратна форма.

Поликристалите се получават в резултат на постепенно охлаждане на разтопен силиций. Този метод е изключително прост, поради което такива фотоелементи струват евтино.

Но производителността по отношение на производството на електроенергия от слънчевите лъчи рядко надвишава 15%. Това е свързано с „нечистотата“ на получаваните силициеви пластини и тяхната вътрешна структура. Тук колкото по-чист е p-слоят на силиция, толкова по-висок е КПД на ФЕП от него.

Чистотата на монокристалите в това отношение е много по-висока от тази на поликристалните аналози. Те се правят не от разтопен, а от изкуствено отгледан цялостен кристал силиций. Коефициентът на фотоелектрическо преобразуване при такива ФЕП вече достига 20-22%.

В общия модул отделните фотоелементи се сглобяват върху алуминиева рамка, а за защита отгоре се покриват със здраво стъкло, което изобщо не пречи на слънчевите лъчи.

Горният слой на пластинката-фотоелемент, обърнат към слънцето, се прави от същия силиций, но с добавка на фосфор. Именно последният е източник на излишни електрони в системата на p-n-прехода.

Истински пробив в областта на използването на слънчевата енергия беше разработването на гъвкави панели с аморфен фотоелектрически силиций:

Принцип на работа на слънчевия панел

При падането на слънчевите лъчи върху фотоелемента в него се генерират неравновесни електронно-дупчести двойки. Излишните електрони и „дупки“ частично се пренасят през p-n-прехода от един слой на полупроводника в друг.

В резултат във външната верига се появява напрежение. При това на контакта на p-слоя се формира положителен полюс на източника на ток, а на n-слоя – отрицателен.

Разликата в потенциалите (напрежението) между контактите на фотоелемента се появява поради промяна на броя на „дупките“ и електроните от различните страни на p-n-прехода в резултат на облъчване на n-слоя със слънчеви лъчи.

Фотоелементите, свързани към външен товар под формата на акумулатор, образуват с него затворен кръг. В резултат на това слънчевият панел работи като своеобразно колело, по което електроните „тичат“ като катерички. А акумулаторната батерия постепенно набира заряд.

Стандартните силициеви фотоелектрически преобразуватели са еднопреходни елементи. Преминаването на електроните в тях става само през един p-n-преход с ограничена по енергетика на фотоните зона на този преход.

Тоест всеки такъв фотоелемент е способен да генерира електроенергия само от тесен спектър на слънчевото излъчване. Цялата останала енергия отива на вятъра. Затова и ефективността на ФЕП е толкова ниска.

За да се повиши КПД на слънчевите батерии, силициевите полупроводникови елементи за тях напоследък започнаха да се правят многопреходни (каскадни). В новите ФЕП преходите вече са няколко. При това всеки от тях в този каскад е проектиран за свой спектър на слънчевите лъчи.

Общата ефективност на преобразуване на фотоните в електроток при такива фотоелементи в крайна сметка нараства. Но и цената им е значително по-висока. Тук вариантът е или простота на изработката с ниска себестойност и нисък КПД, или по-висока отдача заедно с висока цена.

Слънчевата батерия може да работи както през лятото, така и през зимата (тя се нуждае от светлина, а не от топлина) – колкото по-малко е облачността и по-ярко грее слънцето, толкова повече електрически ток ще генерира хелиопанелът.

При работа фотоелементът и цялата батерия постепенно се нагряват. Цялата енергия, която не е отишла за генериране на електроток, се трансформира в топлина. Често температурата на повърхността на хелиопанела се покачва до 50–55 °C. Но колкото по-висока е тя, толкова по-неефективно работи фотогалваничният елемент.

В крайна сметка един и същ модел слънчева батерия в горещина генерира по-малко ток, отколкото в студ. Максимум КПД фотоелементите показват в ясен зимен ден. Тук се отразяват два фактора – много слънце и естествено охлаждане.

Освен това ако върху панела пада сняг, той ще продължи да генерира електроенергия. Нещо повече, снежинките дори няма да успеят да полежат особено върху него, стопявайки се от топлината на нагретите фотоелементи.

Ефективност на батериите на соларната система

Един фотоелемент дори по пладне при ясно време дава съвсем малко електроенергия, достатъчна единствено за работа на светодиодно фенерче.

За да се повиши изходната мощност, няколко ФЕП се обединяват по паралелна схема за увеличаване на постоянното напрежение и по последователна за повишаване на силата на тока.

Ефективността на слънчевите панели зависи от:

• температурата на въздуха и на самата батерия;
• правилният подбор на съпротивление на товара;
• ъгълът на падане на слънчевите лъчи;
• наличие/отсъствие на антиотразително покритие;
• мощност на светлинния поток.

Колкото по-ниска е температурата навън, толкова по-ефективно работят фотоелементите и слънчевата батерия като цяло. Тук всичко е просто. Но при изчисляването на натоварването ситуацията е по-сложна. То трябва да се избира въз основа на тока, който панелът подава. Но неговата стойност се променя в зависимост от метеорологичните фактори.

Слънчевите панели се произвеждат с изходно напрежение, кратно на 12 V – ако на акумулатора трябва да се подаде 24 V, тогава два панела трябва да се свържат паралелно към него.

Постоянно да се следят параметрите на слънчевата батерия и ръчно да се коригира нейната работа е проблематично. За това е по-добре да се използва контролер за управление, който в автоматичен режим сам настройва настройките на слънчевия панел, за да се постигне максимална производителност и оптимални режими на работа.

Идеалният ъгъл на падане на слънчевите лъчи върху слънчевата батерия е прав. Въпреки това, при отклонение в рамките на 30 градуса от перпендикуляра ефективността на панела пада само с около 5%. Но при по-нататъшното увеличаване на този ъгъл все по-голяма част от слънчевото излъчване ще се отразява, като по този начин намалява КПД на ФЕП.

Ако от батерията се изисква да дава максимално енергия през лятото, то тя трябва да бъде ориентирана перпендикулярно на средното положение на Слънцето, което то заема в дните на равноденствие през пролетта и есента.

За московския регион – това е приблизително 40–45 градуса спрямо хоризонта. Ако максимумът е необходим през зимата, то панелът трябва да се постави в по-вертикално положение.

И още един момент – пръстта и мръсотията силно намаляват производителността на фотоелементите. Фотоните през такава "мръсна" преграда просто не достигат до тях, а следователно няма какво да се преобразува в електроенергия. Панелите трябва редовно да се мият или да се поставят така, че пръстта да се отмива от дъжда самостоятелно.

Някои слънчеви батерии имат вградени лещи за концентриране на излъчването върху ФЕП. При ясно време това води до повишаване на КПД. Въпреки това, при силна облачност тези лещи носят само вреда.

Ако обикновеният панел в такава ситуация продължи да генерира ток, макар и в по-малки обеми, то лещовият модел ще спре да работи практически напълно.

Слънцето трябва да осветява батерията от фотоелементи равномерно в идеалния случай. Ако един от нейните участъци се окаже затъмнен, то неосветените ФЕП се превръщат в паразитен товар. Те не само че не генерират енергия в подобна ситуация, но и я вземат от работещите елементи.

Панелите трябва да се монтират така, че по пътя на слънчевите лъчи да няма дървета, сгради и други прегради.

Схема на електрозахранване на дома от слънцето

Системата за слънчево електроснабдяване включва:

1. Слънчеви панели.
2. Контролер.
3. Акумулатори.
4. Инвертор (трансформатор).

Контролерът в тази схема защитава както слънчевите батерии, така и акумулаторите. От една страна, той предотвратява протичането на обратни токове през нощта и при облачно време, а от друга – защитава акумулаторите от прекомерно зареждане/разреждане.

Акумулаторните батерии за слънчеви панели трябва да се подбират еднакви по възраст и капацитет, в противен случай зареждането/разреждането ще става неравномерно, което ще доведе до рязко намаляване на срока им на експлоатация.

За трансформация на постоянен ток от 12, 24 или 48 волта в променлив 220-волтов е необходим инвертор. Автомобилните акумулатори не се препоръчва да се използват в такава схема поради неспособността им да издържат на чести презареждания. Най-добре е да се похарчите и да закупите специални гелови AGM или заливни OPzS акумулатори.

Изводи и полезно видео по темата

Принципите на работа и схемите за свързване на слънчеви батерии не са твърде сложни за разбиране. А с видеоматериалите, които сме събрали по-долу, ще бъде още по-лесно да се ориентирате във всички тънкости на функционирането и инсталирането на слънчеви панели.

Достъпно и разбираемо – как работи фотоволтаичната слънчева батерия, във всички подробности:

Как са устроени слънчевите батерии – гледайте в следващото видео:

Сглобяване на слънчев панел от фотоелементи със собствените си ръце:

Всеки елемент в системата за слънчево електрозахранване на къщата трябва да бъде подбран компетентно. Неизбежните загуби на мощност се получават на акумулаторите, трансформаторите и контролера. И те задължително трябва да се сведат до минимум, в противен случай и без това доста ниската ефективност на слънчевите панели ще бъде сведена до нула.

По време на изучаването на материала се появиха въпроси? Или знаете ценна информация по темата на статията и можете да я съобщите на нашите читатели? Моля, оставете вашите коментари в блока, разположен по-долу.