Princíp činnosti solárnej batérie: ako je skonštruovaný a funguje solárny panel

Efektívna premena bezplatných slnečných lúčov na energiu, ktorú možno využiť na napájanie domov a iných objektov, je vytúženým snom mnohých zástancov zelenej energie.

Princíp fungovania solárnej batérie a jej účinnosť sú však také, že o vysokej efektivite týchto systémov zatiaľ nemožno hovoriť. Nebolo by zlé zaobstarať si vlastný doplnkový zdroj elektriny. Nie je to tak? Navyše už dnes aj v Rusku solárne panely úspešne zásobujú „bezplatnou“ elektrinou značné množstvo súkromných domácností. Stále neviete, kde začať?

Nižšie vám povieme o konštrukcii a princípoch fungovania solárneho panelu, dozviete sa, od čoho závisí účinnosť solárneho systému. A videá v článku vám pomôžu vlastnoručne zostaviť solárny panel z fotočlánkov.

Solárne batérie: terminológia

V oblasti „solárnej energetiky“ je pomerne veľa nuancií a zmätku. Pre začiatočníkov je často spočiatku ťažké zorientovať sa vo všetkých neznámych termínoch. No bez toho sa venovať solárnej energetike, zaobstarať si zariadenie na výrobu „solárneho“ prúdu, nie je rozumné.

Z nevedomosti môžete nielen vybrať nevhodný panel, ale ho aj jednoducho spáliť pri pripojení, alebo z neho získať príliš malé množstvo energie.

Najprv je potrebné zorientovať sa v existujúcich druhoch zariadení na solárnu energiu. Solárne batérie a solárne kolektory sú dve principiálne odlišné zariadenia. Obe premieňajú energiu slnečných lúčov.

Avšak v prvom prípade spotrebiteľ na výstupe získa elektrickú energiu, v druhom tepelnú vo forme ohriateho nosiča tepla, t.j. solárne panely sa používajú na vykurovanie domu.

Maximálny výkon zo solárneho panelu možno dosiahnuť len vtedy, keď vieme, ako funguje, z akých komponentov a častí sa skladá a ako sa to všetko správne zapája.

Druhou nuansou je samotný pojem „solárna batéria“. Zvyčajne sa pod slovom „batéria“ rozumie nejaké zariadenie na akumuláciu elektrickej energie. Alebo nám napadne obyčajný vykurovací radiátor. V prípade solárnych batérií je však situácia úplne iná. Nič v sebe neakumulujú.

Solárny panel generuje jednosmerný elektrický prúd. Aby sa premenil na striedavý (používaný v domácnosti), musí byť v schéme prítomný invertor.

Solárne batérie sú určené výhradne na generovanie elektrického prúdu. Ten sa následne akumuluje v batériách, ktoré sú dodatočne prítomné v schéme energetického zabezpečenia objektu, na zásobovanie domu elektrinou v noci, keď slnko zapadne za obzor.

Batéria sa tu chápe v kontexte určitého súboru rovnakých komponentov, zostavených do jedného celku. V podstate je to len panel z niekoľkých rovnakých fotovoltaických článkov.

Vnútorná konštrukcia solárnej batérie

Postupne sú solárne batérie čoraz lacnejšie a efektívnejšie. V súčasnosti sa používajú na nabíjanie batérií v pouličných lampách, smartfónoch, elektromobiloch, súkromných domoch a na satelitoch vo vesmíre. Dokonca sa z nich začali stavať plnohodnotné solárne elektrárne s veľkými objemami výroby.

Heliobatéria pozostáva z mnohých fotovoltických článkov (fotoelektrických meničov FVE), ktoré premieňajú energiu fotónov zo slnka na elektrickú energiu.

Každá solárna batéria je usporiadaná ako blok z n-tého počtu modulov, ktoré v sebe spájajú sériovo zapojené polovodičové fotovoltické články. Aby ste pochopili princípy fungovania takejto batérie, je potrebné porozumieť práci tohto konečného článku v zariadení solárneho panelu, vytvoreného na báze polovodičov.

Druhy kryštálov fotočlánkov

Variantov FVE z rôznych chemických prvkov existuje obrovské množstvo. Avšak väčšina z nich je vo vývoji v počiatočných fázach. V priemyselnom meradle sa v súčasnosti vyrábajú zatiaľ len panely z fotovoltických článkov na báze kremíka.

Kremíkové polovodiče sa používajú pri výrobe solárnych batérií kvôli svojej lacnosti, veľmi vysokou účinnosťou sa pochváliť nemôžu.

Bežný fotovoltický článok v solárnom paneli je tenká platňa z dvoch vrstiev kremíka, pričom každá má svoje fyzikálne vlastnosti. Je to klasický polovodičový p-n prechod s elektrónovo-dierovými pármi.

Pri dopade fotónov na FVE medzi týmito vrstvami polovodiča v dôsledku nehomogenity kryštálu vzniká hradlová foto-EMN, v dôsledku čoho vzniká rozdiel potenciálov a prúd elektrónov.

Kremíkové platne fotovoltických článkov sa líšia technológiou výroby na:

1. Monokryštalické.
2. Polykryštalické.

Prvé majú vyššiu účinnosť, ale aj výrobné náklady sú vyššie ako u druhých. Navonok je možné jeden variant od druhého na solárnom paneli rozlíšiť podľa tvaru.

Monokryštalické FV články majú homogénnu štruktúru a vyrábajú sa v tvare štvorcov so zrezanými rohmi. Na rozdiel od nich majú polykryštalické články presne štvorcový tvar.

Polykryštály vznikajú postupným ochladzovaním roztaveného kremíka. Táto metóda je veľmi jednoduchá, a preto tieto fotovoltaické články nie sú drahé.

Ich účinnosť v oblasti výroby elektrickej energie zo slnečných lúčov však zriedka presahuje 15%. Súvisí to s „nečistotou“ získaných kremíkových doštičiek a ich vnútornou štruktúrou. Čím je vrstva p-kremíka čistejšia, tým vyššia je účinnosť FV článkov z neho vyrobených.

Čistota monokryštálov je v tomto ohľade oveľa vyššia ako u polykryštalických analógov. Vyrábajú sa nie z roztaveného, ale z umelo vypestovaného celého kryštálu kremíka. Koeficient fotovoltaickej premeny u týchto FV článkov dosahuje 20 – 22 %.

Jednotlivé fotovoltaické články sú zostavené do spoločného modulu na hliníkovom ráme a na ochranu sú zhora zakryté pevným sklom, ktoré vôbec nebráni slnečným lúčom.

Horná vrstva fotovoltaickej doštičky orientovaná k slnku je vyrobená z rovnakého kremíka, ale s prídavkom fosforu. Práve fosfor je zdrojom nadbytočných elektrónov v systéme p-n prechodu.

Skutočným prielomom v oblasti využívania slnečnej energie bol vývoj flexibilných panelov s amorfným fotovoltaickým kremíkom:

Princíp fungovania solárneho panelu

Pri dopade slnečných lúčov na fotovoltaický článok sa v ňom generujú nerovnovážne páry elektrón-diera. Nadbytočné elektróny a „diery“ sa čiastočne prenášajú cez p-n prechod z jednej vrstvy polovodiča do druhej.

Vo vonkajšom obvode sa tak objaví napätie. Pritom na kontakte p-vrstvy vzniká kladný pól zdroja prúdu a na n-vrstve záporný.

Potenciálny rozdiel (napätie) medzi kontaktmi fotoprvku vzniká v dôsledku zmeny počtu „dier“ a elektrónov na rôznych stranách p-n-prechodu v dôsledku ožiarenia n-vrstvy slnečnými lúčmi.

Fotoprvky pripojené k vonkajšej záťaži v podobe akumulátora s ním tvoria uzavretý okruh. Slnečný panel tak funguje ako akési koleso, po ktorom spolu s bielkovinami „behajú“ elektróny. Pritom sa akumulátor postupne nabíja.

Štandardné kremíkové fotovoltaické meniče sú jednoprechodové prvky. Prechod elektrónov v nich prebieha len cez jeden p-n-prechod s obmedzenou zónou tohto prechodu z hľadiska energie fotónov.

To znamená, že každý takýto fotoprvok je schopný vyrábať elektrickú energiu len z úzkeho spektra slnečného žiarenia. Všetka ostatná energia prichádza nazmar. Preto je účinnosť FEP taká nízka.

Na zvýšenie účinnosti slnečných batérií sa v poslednom čase začali vyrábať kremíkové polovodičové prvky ako viacprechodové (kaskádové). Nové FEP majú už niekoľko prechodov. Pričom každý z nich je v tejto kaskáde navrhnutý na svoje spektrum slnečných lúčov.

Celková účinnosť premeny fotónov na elektrický prúd u takýchto fotoprvkov v konečnom dôsledku stúpa. Ale aj ich cena je výrazne vyššia. Tu je buď jednoduchosť výroby s nízkymi nákladmi a nízkou účinnosťou, alebo vyšší výkon spojený s vysokou cenou.

Slnečná batéria môže fungovať v lete aj v zime (potrebuje svetlo, nie teplo) – čím je menšia oblačnosť a jasnejšie slnko svieti, tým viac elektrického prúdu vygeneruje heliopanel.

Počas prevádzky sa fotoprvok a celá batéria postupne zahrieva. Všetka energia, ktorá nešla na generovanie elektrického prúdu, sa mení na teplo. Teplota na povrchu heliopanela často stúpa na 50–55 °C. Ale čím je vyššia, tým menej efektívne funguje fotogalvanický prvok.

V dôsledku toho rovnaký model slnečnej batérie generuje v horúčave menej prúdu ako v mraze. Maximálnu účinnosť vykazujú fotoprvky v jasný zimný deň. Tu sa prejavujú dva faktory – veľa slnka a prirodzené chladenie.

Pritom ak na panel padá sneh, bude aj naďalej generovať elektrickú energiu. Navyše snehové vločky na ňom ani nestihnú poriadne poležať, pretože sa roztopia od tepla zahriatych fotoprvkov.

Účinnosť batérií solárneho systému

Jeden fotoprvok aj napoludnie pri jasnom počasí dáva len veľmi málo elektrickej energie, postačujúcej azda len na prevádzku LED baterky.

Na zvýšenie výstupného výkonu sa niekoľko fotovoltaických článkov zapája paralelne na zvýšenie jednosmerného napätia a sériovo na zvýšenie prúdu.

Účinnosť solárnych panelov závisí od:

• teploty vzduchu a samotného panelu;
• správneho výberu odporu záťaže;
• uhla dopadu slnečných lúčov;
• prítomnosti/neprítomnosti antireflexného povlaku;
• výkonu svetelného toku.

Čím je vonkajšia teplota nižšia, tým účinnejšie pracujú fotovoltaické články a celý solárny panel. Tu je to jednoduché. No s výpočtom záťaže je situácia zložitejšia. Tú treba voliť na základe prúdu, ktorý panel dodáva. Jeho hodnota sa však mení v závislosti od poveternostných faktorov.

Solárne panely sa vyrábajú s výstupným napätím, ktoré je násobkom 12 V – ak je potrebné na batériu priviesť 24 V, potom treba dva panely k nej pripojiť paralelne.

Neustále sledovať parametre solárneho panela a manuálne upravovať jeho činnosť je problematické. Na to je lepšie použiť regulátor riadenia, ktorý v automatickom režime sám prispôsobuje nastavenia solárneho panela, aby sa dosiahla maximálna výkonnosť a optimálne prevádzkové režimy.

Ideálny uhol dopadu slnečných lúčov na solárny panel je priamy. Avšak pri odchýlke v rozmedzí 30 stupňov od kolmice účinnosť panela klesá len asi o 5%. Pri ďalšom zväčšovaní tohto uhla sa však stále väčšia časť slnečného žiarenia bude odrážať, čím sa znižuje účinnosť fotovoltaických článkov.

Ak sa od panela vyžaduje, aby v lete dával maximum energie, potom ho treba orientovať kolmo na priemernú polohu Slnka, ktorú zaujíma v dňoch jarnej a jesennej rovnodennosti.

Pre moskovský región je to približne 40–45 stupňov k horizontu. Ak je maximum potrebné v zime, panel treba umiestniť do vertikálnejšej polohy.

A ešte jedna vec – prach a nečistoty výrazne znižujú výkonnosť fotovoltaických článkov. Fotóny cez takúto „špinavú“ prekážku jednoducho nedosiahnu k článkom, a teda nie je čo premieňať na elektrickú energiu. Panely je potrebné pravidelne umývať, alebo ich umiestniť tak, aby sa prach zmýval dažďom sám.

Niektoré solárne panely majú vstavané šošovky na koncentráciu žiarenia na fotovoltaické články. Pri jasnom počasí to vedie k zvýšeniu účinnosti. Pri silnej oblačnosti však tieto šošovky prinášajú iba škodu.

Ak bežný panel v takejto situácii bude naďalej generovať prúd, aj keď v menšom množstve, tak model so šošovkami prakticky úplne prestane pracovať.

Slnko by malo v ideálnom prípade osvetľovať panel z fotovoltaických článkov rovnomerne. Ak je jedna z jeho častí zatienená, neosvetlené fotovoltaické články sa premenia na parazitnú záťaž. V takejto situácii nielenže negenerujú energiu, ale ešte ju odoberajú pracujúcim článkom.

Panely treba inštalovať tak, aby sa na ceste slnečných lúčov nenachádzali stromy, budovy ani iné prekážky.

Schéma napájania domu zo slnka

Systém slnečného elektrického napájania zahŕňa:

1. Solárne panely.
2. Regulátor.
3. Akumulátory.
4. Invertor (transformátor).

Regulátor v tejto schéme chráni ako solárne batérie, tak aj akumulátor. Na jednej strane zabraňuje spätnému toku prúdu v noci a počas zamračeného počasia, na druhej strane chráni akumulátory pred nadmerným nabíjaním/vybíjaním.

Akumulátory pre solárne panely by mali byť rovnako staré a s rovnakou kapacitou, inak bude nabíjanie/vybíjanie prebiehať nerovnomerne, čo povedie k prudkému zníženiu ich životnosti.

Na transformáciu jednosmerného prúdu 12, 24 alebo 48 voltov na striedavý 220-voltový je potrebný invertor. Použitie automobilových akumulátorov v tejto schéme sa neodporúča, pretože nie sú schopné znášať časté prebíjanie. Najlepšie je investovať a kúpiť špeciálne gélové AGM alebo zalievané OPzS akumulátory.

Závery a užitočné video k téme

Princípy fungovania a schémy zapojenia solárnych batérií nie sú príliš zložité na pochopenie. A s nižšie zostavenými videomateriálmi bude ešte jednoduchšie pochopiť všetky jemnosti fungovania a inštalácie solárnych panelov.

Zrozumiteľne a jasne, ako funguje fotovoltaická solárna batéria, so všetkými podrobnosťami:

Ako sú usporiadané solárne batérie, pozrite si v nasledujúcom videu:

Zostavenie solárneho panelu z fotovoltaických článkov vlastnými rukami:

Každý prvok v systéme slnečného elektrického napájania chaty musí byť odborne vybraný. Nevyhnutné straty výkonu vznikajú na akumulátoroch, transformátoroch a regulátore. A tie je potrebné minimalizovať, inak by sa aj tak dosť nízka účinnosť solárnych panelov zredukovala na nulu.

Počas štúdia materiálu sa vynorili otázky? Alebo máte cenné informácie k téme článku a môžete ich odovzdať našim čitateľom? Prosím, zanechajte svoje komentáre v bloku nižšie.