Princip rada solarne baterije: kako je konstruiran i kako radi solarni panel

Učinkovito pretvaranje besplatnih sunčevih zraka u energiju kojom se može opskrbljivati stanovanje i drugi objekti, san je mnogih zagovornika zelene energije.

No princip rada solarne baterije i njezin koeficijent korisnog djelovanja takvi su da se o visokoj učinkovitosti takvih sustava za sada ne može govoriti. Bilo bi dobro imati vlastiti dodatni izvor električne energije. Zar ne? Pogotovo što već danas i u Rusiji pomoću solarnih panela "besplatna" električna energija uspješno opskrbljuje velik broj privatnih kućanstava. Još uvijek ne znate odakle početi?

U nastavku ćemo vam objasniti strukturu i principe rada solarnog panela, saznat ćete o čemu ovisi učinkovitost solarnog sustava. A videozapisi sa savjetima postavljeni u članku pomoći će vam da sami sastavite solarni panel od fotonaponskih ćelija.

Solarni paneli: terminologija

U području "solarne energije" ima mnogo nijansi i zabuna. Početnicima je često isprva teško snači se u svim nepoznatim pojmovima. No bez toga baviti se solarnom energijom nabavljajuči opremu za proizvodnju "solarne" struje, nerazumno je.

Zbog neznanja možete ne samo odabrati neodgovarajuči panel, nego ga i jednostavno spaliti prilikom spajanja ili izvuči iz njega premalen volumen energije.

Najprije treba razumjeti postojeće vrste opreme za solarnu energiju. Solarni paneli i solarni kolektori dva su bitno različita uređaja. Oboje pretvaraju energiju sunčevih zraka.

Međutim, u prvom slučaju potrošač dobiva električnu energiju, a u drugom toplinsku u obliku zagrijanog medija, tj. solarni paneli se koriste za grijanje kuće.

Maksimalni učinak solarne ploče moći će se postići samo ako se zna kako radi, od kojih komponenti i dijelova se sastoji i kako se sve to ispravno povezuje.

Druga nijansa je samo značenje pojma "solarna baterija". Obično se pod riječju "baterija" podrazumijeva uređaj koji pohranjuje električnu energiju. Ili na um pada obični radijator za grijanje. Međutim, u slučaju solarnih panela situacija je potpuno drugačija. Oni ništa ne pohranjuju u sebi.

Solarna ploča proizvodi istosmjernu električnu struju. Da bi se ona pretvorila u izmjeničnu (koja se koristi u kućanstvu), u krugu mora biti prisutan inverter.

Solarni paneli namijenjeni su isključivo za proizvodnju električne struje. Ona se, zauzvrat, pohranjuje za opskrbu kuće električnom energijom noću, kada sunce zađe, u baterijama koje su dodatno prisutne u shemi opskrbe energijom objekta.

Baterija se ovdje podrazumijeva u kontekstu određenog skupa istovrsnih komponenti spojenih u jedinstvenu cjelinu. Zapravo je to samo ploča od nekoliko istih fotonaponskih ćelija.

Unutarnja struktura solarne baterije

Postupno solarni paneli postaju sve jeftiniji i učinkovitiji. Sada se koriste za punjenje baterija u uličnim svjetiljkama, pametnim telefonima, električnim automobilima, privatnim kućama i satelitima u svemiru. Od njih se čak grade prave solarne elektrane (SE) s velikim obujmom proizvodnje.

Solarni panel sastoji se od mnoštva fotonaponskih ćelija (fotonaponskih pretvarača FEP), koje pretvaraju energiju fotona sa sunca u električnu energiju.

Svaka solarna ploča ustrojena je kao blok određenog broja modula koji u sebi objedinjuju serijski spojene poluvodičke fotoćelije. Da bi se razumjela načela funkcioniranja takve ploče, potrebno je upoznati se s radom ove završne karike u uređaju solarnog panela, stvorenog na bazi poluvodiča.

Vrste kristala fotonaponskih ćelija

Postoji ogroman broj varijanti fotonaponskih ćelija od različitih kemijskih elemenata. Međutim, većina ih je u razvojnim fazama. U industrijskim razmjerima trenutno se proizvode samo paneli od fotoćelija na bazi silicija.

Silicijevi poluvodiči koriste se u proizvodnji solarnih ploča zbog svoje jeftinoće, no ne mogu se pohvaliti posebno visokom učinkovitošću.

Uobičajena fotoćelija u solarnom panelu tanka je pločica od dva sloja silicija, od kojih svaki ima svoja fizička svojstva. To je klasični poluvodički p-n-spoj s parovima elektron-šupljina.

Kada fotoni pogode fotonaponsku ćeliju, između tih slojeva poluvodiča zbog nehomogenosti kristala stvara se ventilna foto-elektromotorna sila, što rezultira razlikom potencijala i tokom elektrona.

Silicijske pločice fotoćelija razlikuju se po tehnologiji izrade na:

1. Monokristalne.
2. Polikristalne.

Prve imaju veću učinkovitost, ali je i cijena njihove proizvodnje viša nego kod drugih. Izvana se jedna varijanta od druge na solarnom panelu može razlikovati po obliku.

Monokristalni fotonaponski elementi imaju homogenu strukturu i izrađeni su u obliku kvadrata sa skraćenim kutovima. Za razliku od njih, polikristalni elementi imaju strogo kvadratni oblik.

Polikristali se dobivaju postupnim hlađenjem rastaljenog silicija. Ova metoda je iznimno jednostavna, stoga takvi fotonaponski elementi nisu skupi.

No njihova produktivnost u proizvodnji električne energije iz sunčevih zraka rijetko prelazi 15%. To je povezano s "nečistoćom" dobivenih silicijskih pločica i njihovom unutarnjom strukturom. Što je čišći p-sloj silicija, to je veća učinkovitost fotonaponskog elementa.

Čistoća monokristala u tom je pogledu znatno veća nego kod polikristalnih analoga. Izrađuju se ne od rastaljenog, već od umjetno uzgojenog cjelovitog kristala silicija. Faktor fotoelektrične pretvorbe kod takvih fotonaponskih elemenata doseže 20-22%.

Pojedinačni fotonaponski elementi sastavljaju se u zajednički modul na aluminijskom okviru, a radi zaštite odozgo se prekrivaju čvrstim staklom koje uopće ne sprječava sunčeve zrake.

Gornji sloj pločice fotonaponskog elementa okrenut prema suncu izrađuje se od istog silicija, ali s dodatkom fosfora. Upravo će fosfor biti izvor viška elektrona u sustavu p-n-spoja.

Pravi proboj u području korištenja sunčeve energije bio je razvoj fleksibilnih panela s amorfnim fotonaponskim silicijem:

Princip rada solarnog panela

Pri padu sunčevih zraka na fotonaponski element u njemu se generiraju neravnotežni parovi elektron-šupljina. Višak elektrona i "šupljina" djelomično se prenose kroz p-n-spoj iz jednog sloja poluvodiča u drugi.

Kao rezultat, u vanjskom krugu se pojavljuje napon. Pritom se na kontaktu p-sloja formira pozitivni pol izvora struje, a na n-sloju negativni pol.

Razlika potencijala (napon) između kontakata fotoćelije nastaje zbog promjene broja „šupljina” i elektrona s različitih strana p-n spoja uslijed ozračivanja n-sloja sunčevim zrakama.

Fotoćelije spojene na vanjsko opterećenje u obliku akumulatora tvore s njim zatvoreni krug. Kao rezultat, solarna ploča radi poput neobičnog kotača po kojem zajedno trče elektroni. Pritom akumulatorska baterija postupno dobiva naboj.

Standardni silicijski fotoelektrični pretvarači su jednospojni elementi. Protok elektrona u njima događa se samo kroz jedan p-n spoj s ograničenom zonom tog spoja po energiji fotona.

To jest, svaka takva fotoćelija može proizvoditi električnu energiju samo iz uskog spektra sunčevog zračenja. Sva ostala energija propada beskorisno. Zato je i učinkovitost FEP-a tako niska.

Kako bi se povećala učinkovitost solarnih ploča, silicijski poluvodički elementi za njih su se u posljednje vrijeme počeli izrađivati višespojnima (kaskadnima). U novim FEP-ovima već postoji nekoliko spojeva. Štoviše, svaki od njih u ovoj kaskadi dizajniran je za vlastiti spektar sunčevih zraka.

Ukupna učinkovitost pretvorbe fotona u električnu struju kod takvih fotoćelija u konačnici raste. Ali i njihova cijena je znatno viša. Ovdje je ili jednostavnost izrade s niskom cijenom koštanja i niskom učinkovitošću, ili veći učinak zajedno s visokom cijenom.

Solarna ploča može raditi ljeti i zimi (potrebno joj je svjetlo, a ne toplina) – što je manje oblaka i što sunce jače sja, to će solarni panel proizvesti više električne struje.

Tijekom rada fotoćelija i cijela ploča se postupno zagrijavaju. Sva energija koja nije otišla na proizvodnju električne struje pretvara se u toplinu. Često temperatura na površini solarne ploče doseže 50–55 °C. No što je viša, to manje učinkovito radi fotonaponski element.

Kao rezultat, isti model solarne ploče na vrućini proizvodi manje struje nego na mrazu. Maksimalnu učinkovitost fotoćelije pokazuju na vedrom zimskom danu. Ovdje su dva čimbenika – puno sunca i prirodno hlađenje.

Pritom, ako na ploču padne snijeg, ona će i dalje proizvoditi električnu energiju. Štoviše, pahulje neće ni stići ležati na njoj jer će se otopiti od topline zagrijanih fotoćelija.

Učinkovitost baterija solarnog sustava

Jedna fotoćelija čak i u podne po vedrom vremenu daje vrlo malo električne energije, dovoljno tek za rad LED svjetiljke.

Kako bi se povećala izlazna snaga, nekoliko FEP-ova povezuje se paralelno radi povećanja istosmjernog napona i serijski radi povećanja jakosti struje.

Učinkovitost solarnih panela ovisi o:

• temperature zraka i same ploče;
• ispravnosti odabira otpora opterećenja;
• kuta upada sunčevih zraka;
• prisutnosti/odsutnosti antirefleksnog premaza;
• snage svjetlosnog toka.

Što je niža temperatura vani, to učinkovitije rade fotoćelije i solarni panel u cjelini. Ovdje je sve jednostavno. No s izračunom opterećenja situacija je složenija. Treba ga odabrati na temelju struje koju panel daje. No njegova se veličina mijenja ovisno o vremenskim čimbenicima.

Solarni paneli se proizvode s predviđenim izlaznim naponom koji je višekratnik 12 V – ako se na akumulator mora dovesti 24 V, tada će se dva panela na njega morati spojiti paralelno.

Stalno pratiti parametre solarne ploče i ručno korigirati njezin rad problematično je. Za to je bolje koristiti upravljački kontroler koji u automatskom načinu rada sam prilagođava postavke solarnog panela kako bi se postigla maksimalna učinkovitost i optimalni načini rada.

Idealan kut upada sunčevih zraka na solarnu ploču je ravan. Međutim, pri odstupanju unutar 30 stupnjeva od okomice, učinkovitost panela pada za samo oko 5%. No daljnjim povećanjem tog kuta sve veći udio sunčevog zračenja će se reflektirati, smanjujući time učinkovitost fotoćelija.

Ako se od ploče zahtijeva da daje maksimum energije ljeti, tada je treba usmjeriti okomito na prosječni položaj Sunca koje zauzima u dane proljetnog i jesenskog ekvinocija.

Za moskovsku regiju – to je približno 40–45 stupnjeva prema horizontu. Ako je maksimum potreban zimi, panel treba postaviti u okomitiji položaj.

I još jedan trenutak – prašina i prljavština jako smanjuju učinkovitost fotoćelija. Fotoni kroz takvu "prljavu" prepreku jednostavno ne dolaze do njih, pa nema što pretvarati u električnu energiju. Ploče je potrebno redovito prati ili postaviti tako da se prašina sama ispere kišom.

Neke solarne ploče imaju ugrađene leće za koncentriranje zračenja na fotoćelije. Po vedrom vremenu to dovodi do povećanja učinkovitosti. No pri jakoj naoblaci te leće donose samo štetu.

Ako obični panel u takvoj situaciji nastavi generirati struju, makar u manjim količinama, model s lećama će gotovo u potpunosti prestati raditi.

Sunce bi u idealnom slučaju trebalo ravnomjerno osvjetljavati ploču od fotoćelija. Ako je jedan njezin dio zasjenjen, neosvijetljene fotoćelije postaju parazitsko opterećenje. One u takvoj situaciji ne samo da ne generiraju energiju, nego je i oduzimaju radnim elementima.

Ploče treba postaviti tako da se na putu sunčevih zraka ne nađu drveće, zgrade i druge prepreke.

Shema napajanja kuće sunčevom energijom

Sustav solarnog električnog napajanja uključuje:

1. Solarni paneli.
2. Kontroler.
3. Akumulatori.
4. Inverter (transformator).

Kontroler u ovom krugu štiti i solarne panele i akumulatore. S jedne strane sprječava protok povratnih struja noću i po oblačnom vremenu, a s druge strane štiti akumulatore od prekomjernog punjenja/pražnjenja.

Akumulatorske baterije za solarne panele treba odabrati iste starosti i kapaciteta, inače će punjenje/pražnjenje biti neravnomjerno, što će dovesti do naglog smanjenja njihovog vijeka trajanja.

Za transformaciju istosmjerne struje od 12, 24 ili 48 volti u izmjeničnu struju od 220 volti potreban je inverter. Automobilski akumulatori se ne preporučuju za korištenje u takvom krugu jer ne mogu izdržati česta ponovna punjenja. Najbolje je uložiti i kupiti posebne gel AGM ili zalivene OPzS baterije.

Zaključci i koristan video na temu

Principi rada i sheme spajanja solarnih panela nisu previše složeni za razumijevanje. A s video materijalima koje smo prikupili ispod, bit će još lakše razumjeti sve nijanse funkcioniranja i instalacije solarnih panela.

Jasno i razumljivo, kako radi fotonaponska solarna ploča, u svim detaljima:

Kako su sastavljeni solarni paneli pogledajte u sljedećem videozapisu:

Sastavljanje solarne ploče od fotoćelija vlastitim rukama:

Svaki element u sustavu solarnog napajanja vikendice mora biti pažljivo odabran. Neizbježni gubici snage nastaju na akumulatorima, transformatorima i kontroleru. I oni se moraju svesti na minimum, inače će ionako niska učinkovitost solarnih panela biti svedena na nulu.

Imate pitanja tijekom proučavanja materijala? Ili znate korisne informacije o temi članka i možete ih podijeliti s našim čitateljima? Molimo ostavite svoje komentare u bloku ispod.