Saulės baterijos veikimo principas: sandara ir veikimas

Efektyvus nemokamų saulės spindulių pavertimas energija, kurią galima naudoti būsto ir kitų objektų elektros tiekimui, – daugelio žaliosios energetikos apologetų puoselėjama svajonė

Tačiau saulės baterijos veikimo principas ir jos naudingumo koeficientas yra tokie, kad apie didelį šių sistemų efektyvumą kol kas kalbėti netenka. Būtų neblogai įsigyti savo papildomą elektros energijos šaltinį. Ar ne? Juolab kad jau šiandien ir Rusijoje, naudojant saulės plokštes, „nemokama“ elektros energija sėkmingai aprūpinamas nemažas skaičius privačių namų ūkių. Vis dar nežinote, nuo ko pradėti?

Toliau papasakosime apie saulės plokštės sandarą ir veikimo principus, sužinosite, nuo ko priklauso saulės sistemos efektyvumas. O straipsnyje pateikti vaizdo įrašai padės savarankiškai surinkti saulės plokštę iš fotoelementų

Saulės baterijos: terminologija

Saulės energetikos temoje yra gana daug niuansų ir painiavos. Pradedantiesiems iš pradžių dažnai būna sunku susigaudyti visuose nepažįstamuose terminuose. Tačiau be to užsiimti saulės energetika, perkant įrangą „saulės“ elektros gamybai, yra neprotinga

Dėl nežinojimo galima ne tik pasirinkti netinkamą plokštę, bet ir tiesiog ją sudeginti jungiant arba išgauti iš jos pernelyg mažą energijos kiekį

Iš pradžių reikia susipažinti su esamomis saulės energetikos įrangos rūšimis. Saulės baterijos ir saulės kolektoriai – tai du iš esmės skirtingi įrenginiai. Abu jie paverčia saulės spindulių energiją.

Tačiau pirmuoju atveju vartotojas gauna elektros energiją, o antruoju – šiluminę energiją šildomo šilumnešio pavidalu, t.y. saulės baterijos naudojamos namo šildymui.

Maksimalią saulės baterijos grąžą galima gauti tik žinant, kaip ji veikia, iš kokių komponentų ir mazgų sudaryta ir kaip visa tai teisingai prijungiama.

Antras niuansas – paties termino „saulės baterija“ supratimas. Paprastai žodis „baterija“ suprantamas kaip tam tikras elektros energiją kaupiantis įrenginys. Arba į galvą ateina paprastas šildymo radiatorius. Tačiau saulės baterijų atveju situacija yra visiškai kitokia. Jos nieko savyje nesukaupia.

Saulės baterija generuoja nuolatinę elektros srovę. Norint ją paversti kintamąja (naudojama buityje), schemoje turi būti inverteris.

Saulės baterijos yra skirtos išimtinai elektros srovės generavimui. Ši srovė, savo ruožtu, kaupiama, kad naktį, saulei nusileidus už horizonto, aprūpintų namą elektra, naudojant jau esamus papildomus akumuliatorius objekto energijos tiekimo schemoje.

Baterija čia suprantama kaip tam tikra vienarūšių komponentų, surinktų į vientisą visumą, visuma. Iš tikrųjų tai tiesiog panelė iš kelių identiškų fotoelementų.

Vidinė saulės baterijos sandara

Pamažu saulės baterijos tampa vis pigesnės ir efektyvesnės. Dabar jos naudojamos akumuliatorių įkrovimui gatvių žibintuose, išmaniuosiuose telefonuose, elektromobiliuose, privačiuose namuose ir palydovuose kosmose. Iš jų pradėtos net statyti pilnavertės saulės elektrinės (SE) su dideliais generavimo kiekiais.

Saulės baterija susideda iš daugybės fotoelementų (fotoelektrinių keitiklių FEP), paverčiančių saulės fotonų energiją į elektros energiją.

Kiekvienas saulės baterijų blokas sudarytas iš tam tikro skaičiaus modulių, kuriuose sujungti nuosekliai sujungti puslaidininkiniai fotoelementai. Norint suprasti tokios baterijos veikimo principus, būtina išsiaiškinti šios galutinės grandies, sukurtos puslaidininkių pagrindu, darbą saulės panelės įrenginyje.

Fotoelementų kristalų tipai

Yra didžiulis kiekis įvairių cheminių elementų fotoelektros elementų (FEE) variantų. Tačiau dauguma jų yra pradinės stadijos kūriniai. Pramoniniu mastu šiuo metu gaminamos tik silicio pagrindu pagamintos fotoelementų panelės.

Silicio puslaidininkiai naudojami saulės baterijų gamyboje dėl savo pigumo, tačiau jie negali pasigirti ypač aukštu efektyvumu.

Įprastas fotoelementas saulės panelėje yra plona plokštelė iš dviejų silicio sluoksnių, kurių kiekvienas turi savo fizines savybes. Tai klasikinis puslaidininkinis p-n sandūra su elektronų ir skylių poromis.

Kai fotonai patenka į FEE, tarp šių puslaidininkio sluoksnių dėl kristalo nevienalytiškumo susidaro vožtuvinė foto-EMJ, dėl ko atsiranda potencialų skirtumas ir elektronų srovė.

Silicio fotoelementų plokštelės skiriasi pagal gamybos technologiją:

1. Monokristaliniai.
2. Polikristaliniai.

Pirmieji turi aukštesnį efektyvumą, tačiau jų gamybos savikaina yra didesnė nei antrųjų. Išoriškai vieną variantą nuo kito saulės panelėje galima atskirti pagal formą.

Vienkristaliniai FEP turi vienodą struktūrą, jie gaminami kvadratų su nupjautais kampais pavidalu. Skirtingai nuo jų, polikristaliniai elementai turi griežtai kvadratinę formą.

Polikristalai gaunami palaipsniui aušinant išlydytą silicį. Šis metodas yra labai paprastas, todėl tokie fotoelementai kainuoja nebrangiai.

Tačiau jų našumas, kalbant apie elektros energijos gamybą iš saulės spindulių, retai viršija 15%. Tai susiję su gautų silicio plokštelių „nešvarumu“ ir jų vidine struktūra. Kuo grynesnis silicio p-sloksnis, tuo didesnis iš jo pagamintų FEP efektyvumas.

Vienkristalų grynumas šiuo atžvilgiu yra daug didesnis nei polikristalinių analogų. Jie gaminami ne iš išlydyto, o iš dirbtinai išauginto vientiso silicio kristalo. Tokių FEP fotoelektrinio konversijos koeficientas jau siekia 20-22%.

Į bendrą modulį atskiri fotoelementai surenkami ant aliumininio rėmo, o apsaugai jie iš viršaus uždengiami tvirtu stiklu, kuris visiškai netrukdo saulės spinduliams.

Saulėn atgręžtas viršutinis fotoelemento plokštelės sluoksnis gaminamas iš to paties silicio, bet su fosforo priedu. Būtent pastarasis bus perteklinių elektronų šaltinis p-n sandūros sistemoje.

Tikru proveržiu saulės energijos naudojimo srityje tapo lanksčių plokščių su amorfinio fotoelektrinio silicio sukūrimas:

Saulės plokštės veikimo principas

Kritę saulės spinduliams ant fotoelemento, jame generuojamos nepusiausvyros elektronų ir skylių poros. Pertekliniai elektronai ir „skylės“ iš dalies pernešami per p-n sandūrą iš vieno puslaidininkio sluoksnio į kitą.

Dėl to išorinėje grandinėje atsiranda įtampa. Tuo metu p-sloksnio kontakte susidaro teigiamas srovės šaltinio polius, o n-sloksnio – neigiamas.

Potencialų skirtumas (įtampa) tarp fotoelemento kontaktų atsiranda dėl „skylių“ ir elektronų skaičiaus pokyčio skirtingose p-n sandūros pusėse, apšvitinant n sluoksnį saulės spinduliais.

Prie išorinės apkrovos, pavyzdžiui, akumuliatoriaus, prijungti fotoelementai sudaro su juo uždarą grandinę. Dėl to saulės baterija veikia kaip savotiškas ratas, kuriuo elektronai „bėgioja“ kaip voverės. Tuo tarpu akumuliatorinė baterija palaipsniui kaupia įkrovą.

Standartiniai silicio fotovoltiniai keitikliai yra vienos sandūros elementai. Juose elektronų srautas vyksta tik per vieną p-n sandūrą, kurios fotonų energijos zona yra ribota.

Tai reiškia, kad kiekvienas toks fotoelementas gali gaminti elektros energiją tik iš siauros saulės spinduliuotės spektro dalies. Visa likusi energija pranyksta veltui. Todėl fotovoltinių keitiklių efektyvumas yra toks mažas.

Siekiant padidinti saulės baterijų naudingumo koeficientą, pastaruoju metu silicio puslaidininkiniai elementai jiems pradėti gaminti daugiasandūriais (kaskadiniais). Naujuose fotovoltiniuose keitikliuose sandūrų jau yra kelios. Be to, kiekviena jų šioje kaskadoje yra skirta savo saulės spindulių spektro daliai.

Bendras fotonų pavertimo elektros srove efektyvumas tokiuose fotoelementuose galiausiai padidėja. Tačiau ir jų kaina yra žymiai aukštesnė. Čia yra pasirinkimas: arba gamybos paprastumas su maža savikaina ir žemu naudingumo koeficientu, arba didesnė grąža kartu su aukšta kaina.

Saulės baterija gali veikti tiek vasarą, tiek žiemą (jai reikia šviesos, o ne šilumos) – kuo mažiau debesuota ir kuo ryškiau šviečia saulė, tuo daugiau elektros srovės pagamins saulės baterija.

Veikimo metu fotoelementas ir visa baterija palaipsniui įkaista. Visa energija, kuri nebuvo panaudota elektros srovės generavimui, virsta šiluma. Dažnai temperatūra ant saulės baterijos paviršiaus pakyla iki 50–55 °C. Tačiau kuo ji aukštesnė, tuo mažiau efektyviai veikia fotovoltinis elementas.

Dėl to tas pats saulės baterijos modelis karštyje pagamina mažiau srovės nei šaltyje. Didžiausią naudingumo koeficientą fotoelementai pasiekia giedrą žiemos dieną. Čia pasireiškia du veiksniai – daug saulės ir natūralus aušinimas.

Be to, jei ant baterijos kris sniegas, ji vis tiek toliau gamins elektros energiją. Be to, snaigės nespės ant jos ilgai užsigulti, nes ištirps nuo įkaitusių fotoelementų šilumos.

Saulės sistemos baterijų efektyvumas

Vienas fotoelementas net ir vidurdienį esant giedriems orams pagamina labai nedaug elektros energijos, užtenkančios tik, pavyzdžiui, LED žibintuvėlio veikimui.

Siekiant padidinti išėjimo galią, keli fotovoltiniai keitikliai sujungiami pagal lygiagrečią schemą nuolatinei įtampai didinti ir pagal nuoseklią schemą srovės stiprumui padidinti.

Saulės baterijų efektyvumas priklauso nuo:

• oro ir pačios baterijos temperatūros;
• apkrovos varžos parinkimo teisingumo;
• saulės spindulių kritimo kampo;
• antirefleksinės dangos buvimo/nebuvimo;
• šviesos srauto galios.

Kuo žemesnė lauko temperatūra, tuo efektyviau veikia fotoelementai ir visa saulės baterija. Čia viskas paprasta. O su apkrovos skaičiavimu situacija sudėtingesnė. Ją reikėtų parinkti atsižvelgiant į plokštės generuojamą srovę. Tačiau jos dydis kinta priklausomai nuo oro sąlygų.

Saulės baterijos gaminamos su skaičiavimu, kad išėjimo įtampa būtų 12 V kartotinė – jei į akumuliatorių reikia tiekti 24 V, dvi plokštes teks prijungti lygiagrečiai.

Nuolatos stebėti saulės baterijos parametrus ir rankiniu būdu koreguoti jos darbą yra problemiška. Tam geriau pasinaudoti valdymo valdikliu, kuris automatiniu režimu pats priderina saulės baterijos nustatymus, kad iš jos būtų pasiekta maksimali produkcija ir optimalūs darbo režimai.

Idealus saulės spindulių kritimo kampas į saulės bateriją – status. Tačiau nukrypus iki 30 laipsnių nuo statmens, plokštės efektyvumas sumažėja tik apie 5%. Bet toliau didinant šį kampą, vis didesnė saulės spinduliuotės dalis atsispindės, taip sumažindama fotoelektrinio keitiklio naudingumo koeficientą.

Jei iš baterijos reikalaujama, kad vasarą ji duotų maksimaliai energijos, ją reikėtų orientuoti statmenai vidutinei Saulės padėčiai, kurią ji užima pavasario ir rudens lygiadienių dienomis.

Maskvos regionui – tai maždaug 40–45 laipsniai horizontalės atžvilgiu. Jei maksimumo reikia žiemą, plokštę reikia statyti statesnėje padėtyje.

Ir dar vienas momentas – dulkės ir nešvarumai stipriai mažina fotoelementų našumą. Fotonai per tokį “nešvarų” barjerą tiesiog nepasiekia jų, o vadinasi, nėra ko paversti elektros energija. Plokštes būtina reguliariai valyti arba statyti taip, kad dulkės nuplautų lietumi pačios.

Kai kurios saulės baterijos turi įmontuotus lęšius spinduliuotės koncentravimui ant FEP. Esant giedram orui tai padidina naudingumo koeficientą. Tačiau esant stipriam debesuotumui, šie lęšiai daro tik žalą.

Jei įprasta plokštė tokioje situacijoje ir toliau generuos srovę, nors ir mažesniais kiekiais, tai lęšinis modelis beveik visiškai nustos veikti.

Saulė idealiu atveju turėtų apšviesti bateriją iš fotoelementų tolygiai. Jei viena jos dalis pasirodo tamsi, tai neapšviesti FEP virsta parazitine apkrova. Jie ne tik tokioje situacijoje negeneruoja energijos, bet dar ir atima ją iš veikiančių elementų.

Plokštes reikia įrengti taip, kad saulės spindulių kelyje nebūtų medžių, pastatų ir kitų kliūčių.

Namo elektros tiekimo iš saulės schema

Saulės elektros energijos tiekimo sistemą sudaro:

1. Saulės baterijos.
2. Valdiklis.
3. Akumuliatoriai.
4. Inverteris (transformatorius).

Šioje schemoje esantis valdiklis apsaugo ir saulės baterijas, ir akumuliatorių bateriją. Viena vertus, jis neleidžia tekėti atgalinėms srovėms naktį ir debesuotu oru, o kita vertus – apsaugo akumuliatorius nuo per didelio įkrovimo / iškrovimo.

Akumuliatorių baterijos saulės baterijoms turi būti parenkamos vienodo amžiaus ir talpos, kitaip įkrovimas / iškrovimas vyks netolygiai, o tai smarkiai sumažins jų tarnavimo laiką.

Nuolatinės srovės transformavimui iš 12, 24 ar 48 voltų į kintamą 220 voltų reikalingas inverteris. Automobilių akumuliatorių naudoti tokioje schemoje nerekomenduojama, nes jie nepajėgia atlaikyti dažno perkrovimo. Geriausia investuoti ir įsigyti specialius gelinius AGM arba užpildomus OPzS akumuliatorius.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Saulės baterijų veikimo principai ir prijungimo schemos nėra pernelyg sudėtingi suprasti. O su toliau mūsų surinkta vaizdo medžiaga išsiaiškinti visas saulės kolektorių veikimo ir įrengimo subtilybes bus dar lengviau.

Prieinamai ir aiškiai paaiškinta, kaip veikia fotovoltinė saulės baterija, visomis detalėmis:

Kaip sudarytos saulės baterijos, žiūrėkite šiame vaizdo įraše:

Saulės baterijos surinkimas iš fotoelementų savo rankomis:

Kiekvienas elementas saulės elektros tiekimo sistemoje kotedžui turi būti parenkamas profesionaliai. Neišvengiami galios nuostoliai atsiranda akumuliatoriuose, transformatoriuose ir valdiklyje. Juos būtina sumažinti iki minimumo, kitaip ir taip gana mažas saulės baterijų efektyvumas bus visiškai nulinis.

Ar studijuojant medžiagą kilo klausimų? O gal žinote vertingos informacijos straipsnio tema ir galite ja pasidalinti su mūsų skaitytojais? Prašome palikti savo komentarus žemiau esančiame bloke.