El principi de funcionament d'una bateria solar: com funciona i funciona un panell solar

Convertir eficaçment els raigs solars lliures en energia que es pugui utilitzar per alimentar cases i altres instal·lacions és el somni estimat de molts apologistes de l'energia verda.

Però el principi de funcionament de la bateria solar i la seva eficiència són tals que encara no cal parlar de l'alta eficiència d'aquests sistemes. Seria bo tenir la teva pròpia font addicional d'electricitat. No és això? A més, encara avui a Rússia, amb l'ajuda de plaques solars, un nombre considerable de llars privades es subministra amb èxit electricitat "gratuïta". Encara no saps per on començar?

A continuació us explicarem el disseny i els principis de funcionament d'un panell solar; aprendràs de què depèn l'eficiència d'un sistema solar. I els vídeos publicats a l'article us ajudaran a muntar un panell solar a partir de fotocèl·lules amb les vostres pròpies mans.

Plaques solars: terminologia

Hi ha molts matisos i confusió en el tema de l'"energia solar". Sovint és difícil per als principiants entendre tots els termes desconeguts al principi. Però sense això, no és raonable dedicar-se a l'energia solar, comprant equips per generar corrent "solar".

Sense saber-ho, no només podeu triar el panell equivocat, sinó que també podeu cremar-lo quan el connecteu o extreure'n massa poca energia.

En primer lloc, hauríeu d'entendre els tipus d'equips existents per a l'energia solar. Els panells solars i els col·lectors solars són dos dispositius fonamentalment diferents. Tots dos converteixen l'energia dels raigs solars.

Tanmateix, en el primer cas, el consumidor rep energia elèctrica a la sortida, i en el segon, energia tèrmica en forma de refrigerant escalfat, és a dir. s'utilitzen plaques solars calefacció de la llar.

La rendibilitat màxima d'una placa solar només es pot obtenir sabent com funciona, de quins components i conjunts consta i com està tot connectat correctament.

El segon matís és el concepte del terme "bateria solar". Normalment, la paraula "bateria" es refereix a algun tipus de dispositiu d'emmagatzematge elèctric. O em ve al cap un radiador de calefacció banal. Tanmateix, en el cas de les bateries solars la situació és radicalment diferent. No acumulen res en si mateixos.

El panell solar genera un corrent elèctric constant. Per convertir-lo en variable (utilitzat a la vida quotidiana), cal que hi hagi un inversor al circuit

Els panells solars estan dissenyats únicament per generar corrent elèctric. Al seu torn, s'acumula per subministrar electricitat a la casa a la nit, quan el sol passa per sota de l'horitzó, ja a les bateries presents addicionalment al circuit de subministrament d'energia de la instal·lació.

La bateria aquí s'entén en el context d'un determinat conjunt de components similars muntats en un únic conjunt. De fet, és només un panell de diverses fotocèl·lules idèntiques.

Estructura interna d'una bateria solar

A poc a poc, les plaques solars són cada cop més barates i eficients.Ara s'utilitzen per recarregar bateries en fanals, telèfons intel·ligents, cotxes elèctrics, cases particulars i satèl·lits a l'espai. Fins i tot van començar a construir centrals d'energia solar (SPP) de ple dret amb grans volums de generació.

Una bateria solar consta de moltes fotocèl·lules (convertidors fotoelèctrics) que converteixen l'energia dels fotons del sol en electricitat.

Cada bateria solar està dissenyada com un bloc d'un nombre determinat de mòduls, que combinen fotocèl·lules semiconductors connectades en sèrie. Per entendre els principis de funcionament d'aquesta bateria, cal entendre el funcionament d'aquest enllaç final al dispositiu de panells solars, creat a partir de semiconductors.

Tipus de cristalls de fotocèl·lules

Hi ha un gran nombre d'opcions de FEP fetes amb diferents elements químics. No obstant això, la majoria d'ells són desenvolupaments en les etapes inicials. Fins ara, actualment només es produeixen panells fets amb cèl·lules fotovoltaiques basades en silici a escala industrial.

Els semiconductors de silici s'utilitzen en la fabricació de cèl·lules solars pel seu baix cost; no poden presumir d'una eficiència especialment alta

Una fotocèl·lula típica d'un panell solar és una hòstia prima de dues capes de silici, cadascuna de les quals té les seves pròpies propietats físiques. Aquesta és una unió p-n semiconductora clàssica amb parells d'electró-forat.

Quan els fotons xoquen contra la cèl·lula fotovoltaica entre aquestes capes semiconductors, a causa de la falta d'homogeneïtat del cristall, es forma una foto-EMF de porta, que resulta en una diferència de potencial i un corrent d'electrons.

Les hòsties de silici de cèl·lules solars es diferencien en la tecnologia de fabricació en:

1. Monocristal·lí.
2. Policristal·lí.

Els primers tenen una eficiència més alta, però el cost de la seva producció és superior al dels segons. Externament, una opció es pot distingir d'una altra en un panell solar per la seva forma.

Les cèl·lules solars monocristal·lines tenen una estructura homogènia; estan fetes en forma de quadrats amb cantonades tallades. En canvi, els elements policristalins tenen una forma estrictament quadrada.

Els policristalls s'obtenen per refredament gradual del silici fos. Aquest mètode és extremadament senzill, per això aquestes fotocèl·lules són econòmiques.

Però la seva productivitat pel que fa a la generació d'electricitat a partir dels raigs solars rarament supera el 15%. Això es deu a la "impuresa" de les hòsties de silici resultants i a la seva estructura interna. Aquí, com més pura sigui la capa de p-silici, més gran serà l'eficiència de la cèl·lula solar.

La puresa dels cristalls simples en aquest sentit és molt superior a la dels anàlegs policristalins. No estan fets de cristall de silici sòlid creat artificialment, sinó fos. El coeficient de conversió fotoelèctrica d'aquestes cèl·lules solars ja arriba al 20-22%.

Les fotocèl·lules individuals s'agrupen en un mòdul comú sobre un marc d'alumini, i per protegir-les es cobreixen a la part superior amb un vidre durador, que no interfereix de cap manera amb els raigs solars.

La capa superior de la placa de la fotocèl·lula orientada al sol està feta del mateix silici, però amb l'addició de fòsfor. És aquest últim el que serà la font d'excés d'electrons al sistema d'unió pn.

Un autèntic avenç en el camp de l'energia solar va ser el desenvolupament de panells flexibles amb silici fotovoltaic amorf:

Principi de funcionament del panell solar

Quan la llum solar cau sobre una fotocèl·lula, s'hi generen parells d'electró-forat no equilibrats. L'excés d'electrons i forats es transfereixen parcialment a través de la unió pn d'una capa del semiconductor a una altra.

Com a resultat, apareix tensió al circuit extern. En aquest cas, es forma un pol positiu de la font de corrent al contacte de la capa p i un pol negatiu a la capa n.

La diferència de potencial (tensió) entre els contactes de la fotocèl·lula apareix a causa d'un canvi en el nombre de "forats" i electrons a diferents costats de la unió p-n com a resultat de la irradiació de la capa n amb raigs solars.

Les fotocèl·lules connectades a una càrrega externa en forma de bateria formen un cercle viciós amb ella. Com a resultat, el panell solar funciona com una mena de roda al llarg de la qual els electrons "corren" junts entre proteïnes. I la bateria va guanyant càrrega gradualment.

Els convertidors fotovoltaics de silici estàndard són cèl·lules d'unió única.El flux d'electrons cap a ells es produeix només a través d'una unió p-n amb una zona d'aquesta transició limitada en energia fotònica.

És a dir, cada fotocèl·lula d'aquest tipus és capaç de generar electricitat només a partir d'un espectre estret de radiació solar. Tota la resta d'energia es malgasta. Per això l'eficiència del FEP és tan baixa.

Per augmentar l'eficiència de les cèl·lules solars, recentment s'han començat a fabricar elements semiconductors de silici per a elles multiunió (en cascada). Ja hi ha diverses transicions a les noves cèl·lules solars. A més, cadascun d'ells en aquesta cascada està dissenyat per al seu propi espectre de llum solar.

L'eficiència total de convertir fotons en corrent elèctric per a aquestes fotocèl·lules finalment augmenta. Però el seu preu és molt més alt. Aquí, ja sigui facilitat de fabricació amb baix cost i baixa eficiència, o rendiments més elevats juntament amb un alt cost.

El panell solar pot funcionar tant a l'estiu com a l'hivern (necessita llum, no calor): com menys ennuvolat i més brillant sigui el sol, més corrent elèctric generarà el panell solar.

Durant el funcionament, la fotocèl·lula i tota la bateria s'escalfen gradualment. Tota l'energia que no es va utilitzar per generar corrent elèctric es transforma en calor. Sovint, la temperatura a la superfície del panell solar puja a 50-55 °C. Però com més alt sigui, menys eficient funciona la cèl·lula fotovoltaica.

Com a resultat, el mateix model de bateria solar genera menys corrent en temps calorós que en clima fred. Les fotocèl·lules mostren la màxima eficiència en un dia clar d'hivern. Hi ha dos factors en joc aquí: molt sol i refredament natural.

A més, si la neu cau al panell, encara continuarà generant electricitat.A més, els flocs de neu ni tan sols tindran temps d'estirar-hi gaire, havent-se fos per la calor de les fotocèl·lules escalfades.

Eficiència de la bateria solar

Una fotocèl·lula, fins i tot al migdia amb temps clar, produeix molt poca electricitat, només suficient per fer funcionar una llanterna LED.

Per augmentar la potència de sortida, es combinen diverses cèl·lules solars en un circuit paral·lel per augmentar la tensió de CC i en un circuit en sèrie per augmentar el corrent.

L'eficiència dels panells solars depèn de:

• temperatura de l'aire i la pròpia bateria;
• selecció correcta de la resistència de càrrega;
• angle d'incidència de la llum solar;
• presència/absència de recobriment antireflectant;
• potència de flux lluminós.

Com més baixa sigui la temperatura exterior, més eficients funcionen les fotocèl·lules i la bateria solar en conjunt. Aquí tot és senzill. Però amb el càlcul de càrrega la situació és més complicada. S'ha de seleccionar en funció del corrent subministrat pel panell. Però el seu valor varia en funció dels factors meteorològics.

Els panells solars es produeixen amb una tensió de sortida que és múltiple de 12 V; si cal subministrar 24 V a la bateria, s'hi hauran de connectar dos panells en paral·lel.

Controlar constantment els paràmetres d'una bateria solar i ajustar-ne manualment el funcionament és problemàtic. Per a això és millor utilitzar controlador de control, que ajusta automàticament la configuració del panell solar per tal d'aconseguir el màxim rendiment i modes de funcionament òptims a partir d'aquest.

L'angle ideal d'incidència dels raigs solars sobre una bateria solar és recte. Tanmateix, si la desviació es troba dins dels 30 graus de la perpendicular, l'eficiència del panell només cau al voltant d'un 5%.Però amb un augment més en aquest angle, es reflectirà una proporció creixent de radiació solar, reduint així l'eficiència de la cèl·lula solar.

Si es requereix que la bateria produeixi la màxima energia a l'estiu, s'ha d'orientar perpendicularment a la posició mitjana del Sol, que ocupa als equinoccis a la primavera i la tardor.

Per a la regió de Moscou, es troba aproximadament entre 40 i 45 graus de l'horitzó. Si es necessita el màxim a l'hivern, el panell s'ha de col·locar en una posició més vertical.

I una cosa més: la pols i la brutícia redueixen molt el rendiment de les fotocèl·lules. Els fotons simplement no els arriben a través d'una barrera tan "bruta", el que significa que no hi ha res per convertir en electricitat. Els panells s'han de rentar periòdicament o col·locar-se de manera que la pols sigui rentada per la pluja sols.

Alguns panells solars tenen lents incorporades per concentrar la radiació a la cèl·lula solar. En temps clar, això comporta una major eficiència. Tanmateix, en núvols pesats, aquestes lents només causen danys.

Si un panell convencional en aquesta situació continua generant corrent, encara que en volums més petits, el model de lent deixarà de funcionar gairebé completament.

Idealment, el sol hauria d'il·luminar una bateria de fotocèl·lules de manera uniforme. Si una de les seves seccions resulta enfosquida, aleshores les cèl·lules solars no il·luminades es converteixen en una càrrega parasitària. No només no generen energia en aquesta situació, sinó que també l'allunyen dels elements de treball.

Els panells s'han d'instal·lar de manera que no hi hagi arbres, edificis o altres obstacles en el camí dels raigs solars.

Diagrama de subministrament d'energia solar de la casa

El sistema de subministrament d'energia solar inclou:

1. Panells solars.
2. Controlador.
3. Bateries.
4. Inversor (transformador).

El controlador d'aquest circuit protegeix tant els panells solars com les bateries. D'una banda, impedeix el flux de corrents inverses a la nit i en temps ennuvolat, i de l'altra, protegeix les bateries d'una càrrega/descàrrega excessiva.

Les bateries recarregables per a plaques solars s'han de seleccionar de la mateixa manera en edat i capacitat, en cas contrari, la càrrega/descàrrega es produirà de manera desigual, cosa que provocarà una forta reducció de la seva vida útil.

Per transformar un corrent continu de 12, 24 o 48 volts en corrent altern de 220 volts necessiteu inversor. No es recomana l'ús de bateries de cotxe en aquest circuit a causa de la seva incapacitat per suportar la recàrrega freqüent. El millor és gastar diners i comprar bateries especials d'heli AGM o OPzS inundades.

Conclusions i vídeo útil sobre el tema

Principis de funcionament i Esquemes de connexió de panells solars no massa difícil d'entendre. I amb els materials de vídeo que hem recollit a continuació, serà encara més fàcil entendre totes les complexitats del funcionament i la instal·lació de plaques solars.

És accessible i comprensible com funciona una bateria solar fotovoltaica, en tots els seus detalls:

Vegeu com funcionen les plaques solars al següent vídeo:

Muntatge de panells solars de bricolatge a partir de fotocèl·lules:

Cada element a sistema d'energia solar la casa de camp s'ha de triar correctament. Les pèrdues de potència inevitables es produeixen a les bateries, transformadors i controlador. I s'han de reduir al mínim, en cas contrari l'eficiència ja força baixa de les plaques solars es reduirà a zero.

Teniu alguna pregunta mentre estudiava el material? O coneixeu informació valuosa sobre el tema de l'article i la podeu compartir amb els nostres lectors? Si us plau, deixeu els vostres comentaris al bloc següent.