Principiul de funcționare al panoului solar: cum este construit și cum funcționează un panou solar

Transformarea eficientă a razelor solare gratuite în energie care poate fi utilizată pentru alimentarea cu electricitate a locuințelor și a altor obiective este visul multor adepți ai energiei verzi.

Dar principiul de funcționare al bateriei solare și randamentul acesteia sunt de așa natură încât nu se poate vorbi deocamdată de o eficiență ridicată a acestor sisteme. Ar fi bine să vă procurați o sursă suplimentară proprie de energie electrică. Nu-i așa? Mai ales că deja și în Rusia numeroase gospodării private sunt alimentate cu succes cu energie electrică "gratuită" de la panourile solare. Dumneavoastră încă nu știți de unde să începeți?

Mai jos vă vom spune despre structura și principiul de funcționare ale panoului solar, veți afla de ce depinde eficiența sistemului solar. Iar filmulețele plasate în articol vă vor ajuta să asamblați cu mâinile propriile un panou solar din fotoelemente.

Bateriile solare: terminologie

În domeniul „energiei solare” există destule nuanțe și confuzii. De multe ori, începătorilor le este greu să înțeleagă toți termenii necunoscuți de la bun început. Dar fără acest lucru, a vă ocupa de energia solară, cumpărându-vă echipamente pentru generarea curentului „solar”, este o nechibzuință.

Din necunoaștere, puteți nu numai să alegeți un panou nepotrivit, dar pur și simplu să îl ardeți la conectare sau să extrageți din el o cantitate prea mică de energie.

La început, trebuie să înțelegeți varietățile existente de echipamente pentru energie solară. Panourile solare și colectoarele solare sunt două dispozitive fundamental diferite. Ambele transformă energia razelor solare.

Totuși, în primul caz, consumatorul obține energie electrică la ieșire, iar în al doilea, energie termică sub formă de agent termic încălzit, adică panourile solare sunt utilizate pentru încălzirea casei.

Veți putea obține randamentul maxim de la un panou solar doar dacă știți cum funcționează, din ce componente și subansambluri este alcătuit și cum se conectează totul corect.

Al doilea aspect este conceptul termenului „panou solar”. De obicei, prin cuvântul „baterie” se înțelege un dispozitiv care acumulează energie electrică. Sau vine în minte un simplu radiator de încălzire. Însă, în cazul panourilor solare, situația este radical diferită. Ele nu acumulează nimic în sine.

Panoul solar generează curent electric continuu. Pentru a-l transforma în curent alternativ (utilizat în gospodărie), în schemă trebuie să fie prezent un invertor.

Panourile solare sunt destinate exclusiv generării curentului electric. Acesta, la rândul său, este acumulat pentru alimentarea casei cu electricitate noaptea, când soarele apune sub orizont, în acumulatoarele prezente suplimentar în schema de asigurare a energiei a obiectivului.

Bateria aici este înțeleasă în contextul unui ansamblu de componente de același tip, asamblate într-un tot unitar. De fapt, este doar un panou format din mai multe fotocelule identice.

Structura internă a bateriei solare

Treptat, panourile solare devin tot mai ieftine și mai eficiente. În prezent, ele sunt utilizate pentru reîncărcarea acumulatoarelor în lămpile stradale, smartphone-uri, mașini electrice, case particulare și pe sateliți în spațiu. Din ele s-au început chiar să se construiască centrale solare complete (CSE) cu volume mari de generare.

Panoul solar este format din mai multe fotocelule (convertoare fotoelectrice FEP), care transformă energia fotonilor din soare în energie electrică.

Fiecare panou solar este construit ca un bloc dintr-un număr n de module, care combină în ele fotocelule semiconductoare conectate în serie. Pentru a înțelege principiile de funcționare ale unui astfel de panou, este necesar să înțelegem funcționarea acestei verigi finale în dispozitivul panoului solar, creat pe baza semiconductorilor.

Tipurile de cristale ale fotoelementelor

Există o cantitate imensă de variante de FEP din diferite elemente chimice. Cu toate acestea, cea mai mare parte a acestora sunt dezvoltări în stadiile incipiente. La scară industrială, momentan sunt produse doar panouri din fotocelule pe bază de siliciu.

Semiconductorii de siliciu sunt utilizați la fabricarea panourilor solare datorită costului lor redus, dar nu se pot lăuda cu un randament foarte ridicat.

O fotocelulă obișnuită într-un panou solar este o placă subțire din două straturi de siliciu, fiecare având propriile sale proprietăți fizice. Aceasta este o joncțiune p-n semiconductoră clasică cu perechi electron-gaură.

La incidența fotonilor asupra FEP, între aceste straturi de semiconductor, datorită neomogenității cristalului, se formează o foto-tensiune de blocare, ceea ce duce la o diferență de potențial și un curent de electroni.

Plăcile de siliciu ale fotocelulelor se diferențiază prin tehnologia de fabricație în:

1. Monocristaline.
2. Policristaline.

Primele au un randament mai ridicat, dar și costul de producție este mai mare decât al celor din urmă. Vizual, o variantă se poate deosebi de cealaltă pe panoul solar după formă.

Celulele fotovoltaice monocristaline au o structură omogenă, fiind realizate sub formă de pătrate cu colțuri tăiate. Spre deosebire de ele, elementele policristaline au o formă strict pătrată.

Policristalele se obțin prin răcirea treptată a siliciului topit. Această metodă este extrem de simplă, motiv pentru care aceste celule fotovoltaice sunt ieftine.

Dar randamentul lor în ceea ce privește generarea de energie electrică din razele solare depășește rareori 15%. Acest lucru se datorează „impurității” plăcilor de siliciu obținute și structurii lor interne. Cu cât stratul p de siliciu este mai pur, cu atât randamentul celulei fotovoltaice este mai ridicat.

Puritatea monocristalelor în acest sens este mult mai mare decât cea a analogilor policristalini. Ele sunt fabricate nu din siliciu topit, ci dintr-un cristal integral de siliciu cultivat artificial. Coeficientul de conversie fotovoltaică al acestor celule atinge deja 20-22%.

În modulul comun, celulele fotovoltaice individuale sunt asamblate pe un cadru din aluminiu, iar pentru protecție, sunt acoperite deasupra cu un sticlă rezistentă, care nu împiedică deloc razele solare.

Stratul superior al plăcuței fotoelectrice orientat spre soare este realizat din același siliciu, dar cu adaos de fosfor. Acesta din urmă este sursa electronilor în exces în sistemul joncțiunii p-n.

O adevărată descoperire în domeniul utilizării energiei solare a fost dezvoltarea panourilor flexibile cu siliciu fotovoltaic amorf:

Principiul de funcționare al panoului solar

Când razele solare cad pe celula fotovoltaică, în aceasta se generează perechi electron-gaură de neechilibru. Electronii în exces și „găurile” sunt transportați parțial prin joncțiunea p-n dintr-un strat semiconductor în altul.

În final, în circuitul extern apare tensiune. În același timp, pe contactul stratului p se formează polul pozitiv al sursei de curent, iar pe stratul n – polul negativ.

Diferența de potențial (tensiunea) dintre contactele fotoelementului apare din cauza modificării numărului de "goluri" și electroni de pe părțile diferite ale joncțiunii p-n, ca urmare a iradierii stratului n cu razele solare.

Fotoelementele conectate la o sarcină externă sub forma unui acumulator formează cu acesta un circuit închis. Ca rezultat, panoul solar funcționează ca o roată de-a lungul căreia, împreună cu veverițele, "aleargă" electronii. Iar bateria acumulatorului, între timp, își acumulează treptat încărcătura.

Convertizoarele fotoelectrice standard din siliciu sunt elemente cu o singură joncțiune. Transferul de electroni în ele are loc doar printr-o singură joncțiune p-n, cu o zonă de joncțiune limitată în energie a fotonilor.

Adică, fiecare astfel de fotoelement este capabil să genereze energie electrică doar dintr-un spectru îngust de radiație solară. Toată energia rămasă se pierde. De aceea, eficiența FEP este atât de scăzută.

Pentru a crește randamentul panourilor solare, elementele semiconductoare din siliciu pentru acestea au început recent să fie fabricate cu mai multe joncțiuni (în cascadă). În noile FEP există deja mai multe joncțiuni. Mai mult, fiecare dintre ele în această cascadă este proiectat pentru propriul spectru de raze solare.

Eficiența totală de conversie a fotonilor în curent electric la astfel de fotoelemente crește în final. Dar și prețul lor este semnificativ mai mare. Aici, fie simplitatea fabricării cu cost redus și randament scăzut, fie o producție mai mare împreună cu un cost ridicat.

Panoul solar poate funcționa atât vara, cât și iarna (are nevoie de lumină, nu de căldură) – cu cât este mai puțină înnorare și cu cât soarele strălucește mai puternic, cu atât mai mult curent electric va genera heliopanoul.

În timpul funcționării, fotoelementul și întregul panou se încălzesc treptat. Toată energia care nu a fost folosită pentru generarea curentului electric se transformă în căldură. Adesea, temperatura la suprafața heliopanoului crește până la 50–55 °С. Dar cu cât este mai ridicată, cu atât mai puțin eficient funcționează elementul fotovoltaic.

În final, același model de panou solar generează mai puțin curent pe căldură decât pe ger. Fotoelementele arată randamentul maxim într-o zi senină de iarnă. Aici se manifestă doi factori – mult soare și răcire naturală.

În același timp, dacă zăpada va cădea pe panou, acesta va continua să genereze energie electrică. Mai mult decât atât, fulgii de zăpadă nici nu vor apuca să stea prea mult pe el, topindu-se de la căldura fotoelementelor încălzite.

Eficiența bateriilor sistemului solar

Un singur fotoelement, chiar și la amiază pe vreme senină, produce foarte puțină energie electrică, suficientă doar pentru funcționarea unei lanterne cu LED.

Pentru a crește puterea de ieșire, mai multe celule fotovoltaice sunt combinate în paralel pentru a crește tensiunea continuă și în serie pentru a crește intensitatea curentului.

Eficiența panourilor solare depinde de:

• temperaturii aerului și a bateriei în sine;
• corectitudinii alegerii rezistenței de sarcină;
• unghiului de incidență a razelor solare;
• prezenței/absenței stratului antireflex;
• puterii fluxului luminos.

Cu cât temperatura exterioară este mai scăzută, cu atât fotocelulele și întregul panou solar funcționează mai eficient. Aici totul este simplu. Însă, în ceea ce privește calculul sarcinii, situația este mai complicată. Aceasta trebuie selectată în funcție de curentul furnizat de panou. Dar valoarea sa se modifică în funcție de factorii meteorologici.

Panourile solare sunt fabricate pentru o tensiune de ieșire multiplu de 12 V – dacă la acumulator trebuie aplicată o tensiune de 24 V, atunci două panouri vor trebui conectate în paralel.

Monitorizarea constantă a parametrilor bateriei solare și ajustarea manuală a funcționării acesteia este problematică. Pentru aceasta, este mai bine să utilizați un controler de gestionare, care, în mod automat, reglează setările panoului solar pentru a obține de la acesta performanță maximă și moduri de operare optime.

Unghiul ideal de incidență a razelor solare asupra panoului solar este unghiul drept. Cu toate acestea, la o abatere de până la 30 de grade față de perpendiculară, eficiența panoului scade cu doar aproximativ 5%. Dar la creșterea ulterioară a acestui unghi, o parte tot mai mare a radiației solare va fi reflectată, reducând astfel randamentul celulelor fotovoltaice.

Dacă se dorește ca bateria să furnizeze energie maximă vara, atunci aceasta trebuie orientată perpendicular pe poziția medie a Soarelui pe care o ocupă în zilele echinocțiului de primăvară și de toamnă.

Pentru regiunea Moscovei – aceasta este de aproximativ 40–45 de grade față de orizont. Dacă maximul este necesar iarna, atunci panoul trebuie instalat într-o poziție mai verticală.

Și încă un aspect – praful și murdăria reduc semnificativ performanța fotocelulelor. Fotonii pur și simplu nu ajung la ele prin această barieră „murdară”, așadar nu au ce transforma în energie electrică. Panourile trebuie spălate regulat sau instalate astfel încât praful să fie spălat de ploaie de la sine.

Unele baterii solare au lentile încorporate pentru concentrarea radiației asupra celulelor fotovoltaice. Pe vreme senină, aceasta duce la creșterea randamentului. Cu toate acestea, în caz de nori denși, aceste lentile nu fac decât să dăuneze.

Dacă un panou obișnuit într-o astfel de situație va continua să genereze curent, chiar și în cantități mai mici, atunci modelul cu lentile va înceta să funcționeze aproape complet.

În mod ideal, Soarele ar trebui să ilumineze uniform bateria din celule fotovoltaice. Dacă una dintre zonele sale este umbrită, atunci celulele fotovoltaice neiluminate se transformă într-o sarcină parazită. Ele nu numai că nu generează energie într-o astfel de situație, dar și preiau energie de la elementele active.

Panourile trebuie instalate astfel încât pe calea razelor solare să nu se afle copaci, clădiri sau alte obstacole.

Schema de alimentare cu electricitate a locuinței de la soare

Sistemul de alimentare electrică solară include:

1. Panourile solare.
2. Controlerul.
3. Acumulatorii.
4. Invertorul (transformatorul).

Controlerul din această schemă protejează atât panourile solare, cât și acumulatorii. Pe de o parte, împiedică circulația curenților inversi pe timp de noapte și pe vreme înnorată, iar pe de altă parte, protejează acumulatorii de încărcarea sau descărcarea excesivă.

Acumulatorii pentru panouri solare trebuie aleși de aceeași vechime și capacitate, altfel încărcarea/descărcarea va fi neuniformă, ceea ce va duce la scăderea bruscă a duratei lor de viață.

Pentru transformarea curentului continuu de 12, 24 sau 48 Volți în curent alternativ de 220 volți, este necesar un invertor. Nu se recomandă utilizarea acumulatorilor auto într-o astfel de schemă, din cauza incapacității acestora de a suporta reîncărcări frecvente. Cel mai bine este să investiți și să achiziționați acumulatori speciali gel AGM sau acumulatori lichizi OPzS.

Concluzii și material video util pe această temă

Principiile de funcționare și schemele de conectare a panourilor solare nu sunt prea dificil de înțeles. Iar cu materialele video pe care le-am adunat mai jos, va fi și mai ușor să înțelegeți toate subtilitățile funcționării și instalării panourilor solare.

Accesibil și clar, cum funcționează un panou solar fotovoltaic, în toate detaliile:

Cum sunt construite panourile solare, urmăriți în următorul videoclip:

Asamblarea unui panou solar din fotocelule de către dumneavoastră:

Fiecare element din sistemul de alimentare electrică solară al casei trebuie selectat corect. Pierderile inevitabile de putere au loc la acumulatori, transformatoare și controler. Și acestea trebuie neapărat reduse la minimum, altfel eficiența deja destul de scăzută a panourilor solare va fi redusă la zero.

Pe parcursul studierii materialului, au apărut întrebări? Sau cunoașteți informații valoroase pe tema articolului și le puteți împărtăși cititorilor noștri? Vă rugăm să lăsați comentariile dumneavoastră în blocul de mai jos.