Princíp fungovania solárnej batérie: ako je solárny panel usporiadaný a funguje

vodné hodiny

Tento spôsob ovládania rotačného zariadenia vymyslel jeden podnikavý kanadský študent a má na starosti otáčanie len jednej osi, horizontálnej.

Princíp činnosti je tiež jednoduchý a je nasledujúci:

1. Solárna batéria sa inštaluje do pôvodnej polohy, keď slnečné lúče dopadajú na fotobunku kolmo.
2. Potom sa na jednu stranu pripevní nádoba s vodou a na druhú stranu nejaký predmet rovnakej hmotnosti ako nádoba s vodou. Na dne nádoby by mal byť malý otvor.
3. Cez ňu bude z nádrže postupne vytekať voda, vďaka čomu sa hmotnosť zníži a panel sa bude pomaly nakláňať smerom k protizávažiu. Rozmery otvoru pre nádobu bude potrebné určiť experimentálne.

Táto metóda je najjednoduchšia.Okrem toho šetrí materiálne prostriedky, ktoré by boli vynaložené na nákup motora, ako je to v prípade hodinového stroja. Otočný mechanizmus vo forme vodných hodín si navyše môžete nainštalovať sami, dokonca bez akýchkoľvek špeciálnych znalostí.

Výhody solárnych panelov

Slnečná energia je perspektívna oblasť, ktorá sa neustále rozvíja. Majú niekoľko hlavných výhod. Jednoduché použitie, dlhá životnosť, bezpečnosť a cenová dostupnosť.

Pozitívne aspekty používania tohto typu batérie:

• Obnoviteľné zdroje energie - tento zdroj energie nemá prakticky žiadne obmedzenia, navyše je zadarmo. Aspoň na najbližších 6,5 miliardy rokov. Je potrebné vybrať zariadenie, nainštalovať ho a používať na určený účel (v súkromnom dome alebo na chate).
• Hojnosť – Zemský povrch prijíma v priemere asi 120 000 terawattov energie, čo je 20-násobok súčasnej spotreby energie. Solárne panely na chaty alebo súkromné ​​domy majú obrovský potenciál využitia.
• Stálosť - slnečná energia je konštantná, preto ľudstvu nehrozí nadmerné výdavky v procese jej využívania.
• Dostupnosť – solárna energia môže byť generovaná v akejkoľvek oblasti, pokiaľ je prirodzené svetlo. Najčastejšie sa však používa na vykurovanie domácností.
• Ekologická čistota – solárna energia je perspektívnym odvetvím, ktoré v budúcnosti nahradí elektrárne pracujúce na neobnoviteľných zdrojoch: plyn, rašelina, uhlie a ropa. Bezpečné pre zdravie ľudí a domácich zvierat.

• Pri výrobe panelov a inštalácii solárnych elektrární nedochádza k významným emisiám škodlivých alebo toxických látok do atmosféry.
• Tichý – Výroba elektriny je takmer tichá, a preto je tento typ elektrárne lepší ako veterné elektrárne. Ich prácu sprevádza neustály hukot, kvôli ktorému zariadenie rýchlo zlyháva a zamestnanci musia mať časté prestávky na odpočinok.
• Ekonomické – pri použití solárnych panelov majitelia nehnuteľností zaznamenajú výrazné zníženie účtov za elektrinu. Panely majú dlhú životnosť - výrobca dáva na panely záruku od 20 do 25 rokov. Údržba celej elektrárne sa zároveň redukuje na periodické (každých 5-6 mesiacov) čistenie povrchov panelov od nečistôt a prachu.

Princíp činnosti solárnej batérie

Následkom toku náboja na rozhraní p- a n-vrstvy vzniká v n-vrstve zóna nekompenzovaného kladného náboja a v p-vrstve záporný, t.j. známy každému zo školského kurzu fyziky p-n-prechod. Potenciálny rozdiel, ktorý sa vyskytuje pri prechode, rozdiel kontaktného potenciálu (potenciálna bariéra) bráni prechodu elektrónov z p-vrstvy, ale voľne prechádza menšie nosiče v opačnom smere, čo umožňuje získať foto-EMF pri dopade slnečného svetla. solárny článok.

Keď sú absorbované fotóny vystavené slnečnému žiareniu, začnú vytvárať nerovnovážne páry elektrón-diera. Elektróny generované v blízkosti prechodu prechádzajú z p-vrstvy do n-oblasti.

Podobne sa prebytočné otvory a vrstva n dostanú do p-vrstvy (obrázok a).Ukazuje sa, že kladný náboj sa hromadí v p-vrstve a záporný náboj v n-vrstve, čo spôsobuje napätie vo vonkajšom obvode (obrázok b). Prúdový zdroj má dva póly: kladný - p-vrstva a záporný - n-vrstva.

Toto je základný princíp fungovania solárnych článkov. Elektróny sa tak zdajú byť v kruhu, t.j. opustiť p-vrstvu a vrátiť sa do n-vrstvy, prejsť cez záťaž (akumulátor).

Fotoelektrický výtok v jednoprechodovom prvku zabezpečujú len tie elektróny, ktoré majú energiu vyššiu ako je šírka určitého zakázaného pásma. Tí, ktorí majú menej energie, sa tohto procesu nezúčastňujú. Toto obmedzenie je možné odstrániť viacvrstvovými štruktúrami pozostávajúcimi z viac ako jedného SC, v ktorých bandgap rôzne. Nazývajú sa kaskádové, viacnásobné alebo tandemové. Ich fotoelektrická konverzia je vyššia v dôsledku skutočnosti, že takéto solárne články pracujú so širším slnečným spektrom. V nich sa fotobunky nachádzajú pri zmenšovaní zakázaného pásma. Slnečné lúče dopadajú najskôr na fotobunku s najširšou zónou, pričom dochádza k pohlcovaniu fotónov s najvyššou energiou.

Potom fotóny prejdené hornou vrstvou padajú na ďalší prvok atď. V oblasti kaskádových prvkov je hlavným smerom výskumu použitie arzenidu gália ako jednej alebo viacerých zložiek. Takéto prvky majú účinnosť konverzie 35 %.Prvky sú spojené do batérie, pretože technické možnosti neumožňujú výrobu samostatného prvku veľkého rozmeru (teda výkonu).

Solárne články môžu pracovať dlhú dobu. Osvedčili sa ako stabilný a spoľahlivý zdroj energie, boli testované vo vesmíre, kde je pre nich hlavným nebezpečenstvom meteorický prach a žiarenie, ktoré vedie k erózii kremíkových prvkov. Ale keďže na Zemi na ne tieto faktory nemajú až taký negatívny vplyv, dá sa predpokladať, že životnosť prvkov bude ešte dlhšia.

Solárne panely sú už v službách človeka a sú zdrojom energie pre rôzne zariadenia, od mobilných telefónov až po elektrické vozidlá.

A toto je už druhý pokus človeka obmedziť bezhraničnú slnečnú energiu a prinútiť ju pracovať pre svoje dobro. Prvým pokusom bolo vytvorenie solárnych kolektorov, v ktorých sa elektrina vyrábala ohrevom vody na bod varu sústredenými slnečnými lúčmi.

Výhodou solárnych batérií je, že priamo vyrábajú elektrickú energiu, pričom strácajú oveľa menej energie ako solárne viacstupňové kolektory, pri ktorých je proces jej získavania spojený s koncentráciou slnečných lúčov, ohrevom vody, výrobou pary, ktorá roztáča parnú turbínu a až potom výrobu elektriny generátorom. Hlavné parametre solárnych panelov - predovšetkým výkon

Potom je dôležité, koľko energie majú

Tento parameter závisí od kapacity batérií a ich počtu. Tretím parametrom je špičková spotreba energie, čo znamená počet súčasne možných pripojení zariadení.Ďalším dôležitým parametrom je menovité napätie, ktoré určuje výber doplnkového vybavenia: menič, solárny panel, regulátor, batéria.

Výhody a nevýhody

Solárne panely, rovnako ako iné zariadenia, majú svoje výhody a nevýhody. Medzi nesporné výhody týchto systémov patria:

• Možnosť autonómnej prevádzky vám umožňuje organizovať napájanie predmetov, elektronických zariadení a osvetlenia, vzdialené v značnej vzdialenosti od stacionárnych elektrických sietí.
• Výrazná úspora nákladov počas prevádzky. Slnečné svetlo, ktoré sa premení na elektrinu, nič nestojí a nevyžaduje ďalšie náklady. Musíte platiť iba za meniče a batérie, ktoré vyžadujú pravidelnú výmenu. A aj v tomto prípade sa solárne panely oplatia cca 10 rokov s priemernou záručnou dobou 25-30 rokov. Ak dodržíte všetky pravidlá prevádzky, batérie môžu vydržať ešte dlhšie.
• V porovnaní s konvenčnými elektrárňami, ktoré spotrebúvajú palivo a znečisťujú životné prostredie, je schéma prevádzky solárnych panelov ekologická a bezhlučná.

Tieto zariadenia však majú aj vážne nevýhody, ktoré by sa mali vopred zohľadniť pri predbežných výpočtoch:

• Vysoké náklady nielen na panely, ale aj na ďalšie komponenty - meniče, ovládače, batérie.
• Návratnosť trvá príliš dlho. Peniaze sa sťahujú z obehu na dlhú dobu.
• Solárne systémy s fotovoltaickými článkami vyžadujú veľa priestoru.Pomerne často je na tieto účely potrebné použiť nielen celú strechu, ale aj steny budovy, čo vážne porušuje dizajnové riešenia. Ďalší priestor je potrebný pre batérie s veľkou kapacitou, ktoré v niektorých prípadoch dokážu zabrať aj celú miestnosť.
• Proces výroby elektriny prebieha nerovnomerne v závislosti od dennej doby. Túto nevýhodu kompenzujú dobíjacie batérie, ktoré cez deň akumulujú elektrinu a v noci ju dodávajú spotrebiteľom.

Tranzistory ako základ svetelných prvkov

Tranzistory sú pre náš účel vhodné, keďže vo vnútri majú pomerne veľký kremíkový polovodičový prvok, ktorý poslúži na výrobu elektriny. Najlepšie je zvoliť tranzistory ako KT alebo P.

Začíname pracovať. V prvom rade odrežeme kovový kryt z požadovaného počtu rádiových komponentov. To je jednoduchšie, ak upnete tranzistor do zveráka a opatrne ho odrežete pílkou. Vnútri uvidíte tanier. Toto je hlavná časť nášho budúceho zariadenia. Poslúži nám ako fotobunka.

Časť bude mať tri kontakty: základňu, emitor a kolektor. Pri montáži zvoľte kolektorovú križovatku kvôli najvyššiemu rozdielu potenciálov.

Montáž vlastnými rukami sa najlepšie vykonáva na rovnom povrchu z akéhokoľvek dielektrického materiálu.

Tie tranzistory, ktoré sa chystáte použiť pri vytváraní solárnych panelov, by ste mali pred prácou skontrolovať. Na tieto účely vezmeme jednoduchý multimeter.Je potrebné prepnúť zariadenie do režimu merania prúdu, zapnúť ho medzi bázou a kolektorom alebo emitorom tranzistora. Odstránime indikátor - zvyčajne zariadenie ukazuje malý prúd - zlomky miliampéra, menej často o niečo viac ako 1 mA. Ďalej prístroj prepneme do režimu merania napätia (limit 1-3 V) a dostaneme hodnotu výstupného napätia (bude to asi niekoľko desatín voltu). Je žiaduce zoskupiť tranzistory s blízkymi hodnotami výstupných napätí.

Montáž

Solárne panely sú osadené na špeciálnej konštrukcii, ktorej spojenie určuje schopnosť fotobuniek odolávať akýmkoľvek nepriaznivým poveternostným vplyvom, ako je silný vietor, dážď či sneh, a prispieva aj k vytvoreniu správneho uhla sklonu.

Tento dizajn je k dispozícii na predaj v nasledujúcich verziách:

• naklonené - takéto systémy sú optimálne na inštaláciu na šikmú strechu;
• horizontálne - tento dizajn je pripevnený k plochým strechám;
• voľne stojace - batérie tohto typu je možné inštalovať na strechy rôznych typov a veľkostí.

Samotný proces inštalácie batérií sa vykonáva podľa nasledujúcej schémy:

na upevnenie rámu panelu sú potrebné kovové štvorce s rozmermi 50 x 50 mm a navyše štvorce s rozmermi 25 x 25 mm, ktoré sa používajú na dištančné nosníky

Prítomnosť týchto častí umožňuje dosiahnuť požadovanú pevnosť a spoľahlivú stabilitu nosnej konštrukcie a tiež dáva požadovaný stupeň sklonu;
musíte zostaviť rám, na to potrebujete skrutky s veľkosťou 6 a 8 m;
konštrukcia je upevnená pod krytinou pomocou 12 mm kolíkov;
v pripravených štvorcoch sú vytvorené malé otvory, v nich sú pripevnené panely a na silnejšiu priľnavosť by sa mali použiť skrutky;
počas inštalačných prác by sa mala venovať osobitná pozornosť rámu - v ňom by nemali byť žiadne deformácie. V opačnom prípade môže dôjsť k prepätiu systému, čo povedie k prasknutiu skla.

Inštalácia solárnych zdrojov tepla a svetla na lodžii alebo na balkóne prebieha podľa podobnej schémy. Jedinou výnimkou je, že rám je namontovaný na naklonenej rovine. Montuje sa medzi hlavnú nosnú stenu budovy a koniec budovy, vždy na slnečnej strane. Svojpomocná montáž a inštalácia solárnych panelov všetkých typov si nevyžaduje skúsenosti so stavebnými prácami, napriek tomu však budú potrebné určité zručnosti pri inštalácii. Ak chcete, môžete inštaláciu bezpečne vykonať sami, ale predtým by bolo pekné prečítať si špeciálnu literatúru o vlastnostiach inštalácie palíc a preštudovať si majstrovské kurzy, ktoré sú k dispozícii na internete, a samozrejme zásobiť sa potrebné nástroje.

Výhody práce vlastnými rukami sú zrejmé - šetrí to veľa peňazí za služby špecialistov, ako aj obrovské skúsenosti, ktoré možno budete v budúcnosti potrebovať. Zároveň, ak osobné schopnosti nestačia, môžete nielen stratiť čas, ale aj spôsobiť rozbitie panelov alebo ich nízku účinnosť.

Zvláštnosti

Dnes sú najpoužívanejšie batérie na báze fotovoltaických polykryštálov.Takéto modely sa vyznačujú optimálnou kombináciou nákladov a množstva uvoľnenej energie, vyznačujú sa bohatou modrou farbou a kryštalickou štruktúrou hlavných prvkov. Veľmi ľahko sa inštalujú, pretože ich inštaláciu vo svojom súkromnom dome a na letnej chate zvládne aj majster bez veľkých pracovných skúseností. Monokryštalické fotovoltické panely sú druhé najpopulárnejšie.

Solárne články, ktoré sú vyrobené z amorfného kremíka, sa vyznačujú pomerne nízkou účinnosťou. Ich ceny sú však o niečo nižšie ako náklady na analógy, takže tento model je žiadaný medzi majiteľmi vidieckych domov. V súčasnosti tvoria takéto produkty 85 % trhu. Nemôžu sa pochváliť vysokým výkonom a modifikáciami teluridu kadmia, ich výroba je založená na high-tech filmovej technike: niekoľko stoviek mikrometrov látky sa nanesie v tenkej vrstve na odolný povrch. Je pozoruhodné, že pri veľmi nízkej úrovni účinnosti produktu je jeho výkon pomerne vysoký.

Ďalšou možnosťou pre solárne batérie sú polovodičové varianty CIGS. Rovnako ako predchádzajúca verzia sa vyrábajú pomocou filmovej technológie, ich účinnosť je však oveľa vyššia. Samostatne stojí za to zaoberať sa mechanizmom fungovania solárnych zdrojov tepla a svetla. Hlavná vec je jasne si uvedomiť, že celkové množstvo vyrobenej energie nemôže v žiadnom prípade závisieť od stupňa účinnosti samotného zariadenia, pretože zvyčajne všetky typy takýchto zariadení poskytujú približne rovnaký výkon.Hlavným rozdielom je, že panely, ktoré majú maximálnu účinnosť, vyžadujú menej miesta na ich inštaláciu.

Solárne panely majú nasledujúce výhody:

• šetrnosť k životnému prostrediu inštalácie;
• dlhá doba používania, počas ktorej zostávajú prevádzkové vlastnosti panelov trvalo vysoké;
• technológie sa zriedka pokazia, takže nepotrebujú servis a údržbu, ako aj drahé opravy;
• používanie batérií na báze slnečnej energie vám umožňuje znížiť náklady na elektrinu a plyn v dome;
• použitie solárnych panelov je mimoriadne jednoduché.

Nebolo to však bez nedostatkov, medzi najvýznamnejšie patria tieto:

• panely pre vysoké pódium;
• potreba inštalovať rôzne dodatočné zariadenia na efektívnu synchronizáciu energie získanej z batérie a energie získanej z tradičných zdrojov;
• panely nie je možné použiť v kontakte so spotrebičmi, ktoré vyžadujú vysoký výkon.

9. Vlastnosti solárnych článkov s kvantovými bodkami

Posledný perspektívny typ batérií blízkej budúcnosti je postavený na vlastnostiach fyzikálnych kvantových bodov – mikroskopických inklúzií polovodičov v konkrétnom materiáli. Geometricky sú tieto „bodky“ veľké niekoľko nanometrov a sú v materiáli rozmiestnené tak, aby pokryli absorpciu žiarenia z celého slnečného spektra – IR, viditeľného svetla a UV.

Obrovskou výhodou takýchto panelov je schopnosť pracovať aj v noci, pričom generujú asi 40% maximálneho denného výkonu.

Fyzikálne a technické vlastnosti, certifikácia a označovanie

Bez ohľadu na to, z čoho sú solárne panely vyrobené, každý z nich má niekoľko nasledujúcich dôležitých vlastností:

• mechanický – geometrické parametre, celková hmotnosť, typ rámu, ochranné sklo, počet článkov, typ a šírka konektorov;
• elektrický alebo voltampérový - výkon, napätie naprázdno, sila prúdu pri maximálnom zaťažení, účinnosť panelu ako celku a najmä jednotlivých článkov;
• teplota - zmena účinnosti so zvýšením teploty o určitú jednotku veľkosti (zvyčajne - 1 stupeň);
• kvalitu – životnosť, rýchlosť degradácie buniek, prítomnosť v zoznamoch hodnotenia Bloomberg;
• funkčné - potreba a jednoduchosť starostlivosti, jednoduchá inštalácia / demontáž.

Priemyselné solárne panely, bez ohľadu na to, z akých materiálov sú vyrobené, musia byť certifikované. Minimálnymi požiadavkami sú certifikáty kvality ISO, CE, TUV (medzinárodné) a/alebo colnej únie (pri predaji v rámci nej).

Povinné sú aj medzinárodné pravidlá označovania. Napríklad, skratka CHN-350M-72 obsahuje nasledujúce informácie:

• CHN - identifikátor výrobcu (v tomto prípade čínska ChinaLand);
• 350 – výkon panela vo wattoch;
• M – označenie monokryštálového kremíka;
• 72 je počet fotovoltaických článkov v module.

Čo si môžete vyrobiť solárne panely vlastnými rukami doma

Vyžaduje si to nasledovné:

Predkreslená schéma a výpočty.
Určitý počet prefabrikovaných solárnych článkov - najlacnejšie sa dajú kúpiť online, napríklad na stránke Aliexpress alebo v iných internetových obchodoch

Venujte pozornosť skutočnosti, že všetky prvky majú rovnaké elektrické vlastnosti. Domáci rám vyrobený z dreva a preglejky - pravidlá jeho montáže si môžete pozrieť na mnohých videách na internete

Plexisklo alebo plexisklo na povrchovú ochranu.
Farba a tepelne odolné lepidlo na spracovanie drevených povrchov.
Kontaktné lišty a vodiče na spájanie článkov. Diagramy rôznych spôsobov pripojenia je možné študovať aj na internete.
Spájkovačka a spájka. Spájkovanie by sa malo vykonávať veľmi opatrne, aby nedošlo k poškodeniu budúceho produktu.
Silikónové lepidlo a samorezné skrutky na upevnenie prefabrikovanej batérie v ráme.

Malá batéria si vyžiada investíciu približne 30 – 50 USD, zatiaľ čo výrobná verzia s rovnakou kapacitou bude stáť len o 10 – 20 % viac.

Samozrejme, takýto domáci dizajn nevydrží 25 rokov, nebude mať výkon plnohodnotnej solárnej elektrárne a nebude sa môcť pochváliť výraznou účinnosťou. Jeho cena však bude čo najnižšia.

Zariadenie na solárnu batériu

Na to, aby solárna batéria dokázala premeniť slnečné svetlo na prúd, sú potrebné nasledujúce prvky:

1. Fotovoltaická vrstva, ktorá hrá úlohu polovodiča. Predstavujú ho dve vrstvy materiálov rôznej vodivosti. Tu sa elektróny môžu pohybovať z oblasti p (+) do oblasti n (-). Toto sa nazýva p-n križovatka;
2. Medzi dve vrstvy polovodičov je umiestnený prvok, ktorý je v podstate prekážkou prechodu elektrónov;
3. Zdroj energie. Je potrebné sa pripojiť k prvku, ktorý zabraňuje prenosu elektrónov. Transformuje pohyb nabitých elektrónov, t.j. vytvára elektrický prúd.Akumulátorová batéria. Akumuluje a ukladá energiu;
4. regulátor nabíjania. Jeho hlavnou funkciou je pripojenie a odpojenie solárnej batérie na základe úrovne nabitia. Sofistikovanejšie zariadenia sú schopné ovládať maximálnu úroveň výkonu;
5. DC/AC prevodník (invertor);
6. Stabilizátor napätia. Poskytuje ochranu systému solárnych batérií pred prepätím.