עקרון הפעולה של סוללה סולארית: איך עובד ופועל פאנל סולארי

המרת קרני שמש חופשיות ביעילות לאנרגיה שיכולה לשמש להפעלת בתים ומתקנים אחרים היא חלומם היקר של מתנצלים רבים לאנרגיה ירוקה.

אבל עקרון הפעולה של הסוללה הסולארית ויעילותה הם כאלה שאין צורך לדבר עדיין על היעילות הגבוהה של מערכות כאלה. זה יהיה נחמד לקבל מקור חשמל נוסף משלך. האין זה? יתרה מכך, גם כיום ברוסיה, בעזרת פאנלים סולאריים, מספר לא מבוטל של משקי בית פרטיים מסופקים בהצלחה עם חשמל "חינם". עדיין לא יודעים מאיפה להתחיל?

להלן נספר לכם על עקרונות העיצוב והתפעול של פאנל סולארי; תלמדו במה תלויה היעילות של מערכת סולארית. והסרטונים שפורסמו במאמר יעזרו לכם להרכיב פאנל סולארי מתאי פוטו במו ידיכם.

פאנלים סולאריים: מינוח

יש די הרבה ניואנסים ובלבול בנושא "אנרגיה סולארית". לעתים קרובות קשה למתחילים להבין את כל המונחים הלא מוכרים בהתחלה. אבל בלי זה, זה לא הגיוני לעסוק באנרגיה סולארית, לרכוש ציוד להפקת זרם "סולארי".

מבלי לדעת, אתה יכול לא רק לבחור בפאנל הלא נכון, אלא גם פשוט לשרוף אותו בעת חיבורו או להפיק ממנו מעט מדי אנרגיה.

ראשית, כדאי להבין את סוגי הציוד הקיימים לאנרגיה סולארית. פאנלים סולאריים וקולטי שמש הם שני מכשירים שונים במהותם. שניהם ממירים את האנרגיה של קרני השמש.

עם זאת, במקרה הראשון, הצרכן מקבל אנרגיה חשמלית במוצא, ובשני, אנרגיה תרמית בצורה של נוזל קירור מחומם, כלומר. פאנלים סולאריים משמשים חימום הבית.

את התמורה המקסימלית מפאנל סולארי ניתן לקבל רק על ידי ידיעת איך הוא עובד, מאילו רכיבים ומכלולים הוא מורכב ואיך הכל מחובר נכון

הניואנס השני הוא מושג המונח "סוללה סולארית". בדרך כלל, המילה "סוללה" מתייחסת לסוג כלשהו של התקן אחסון חשמלי. או רדיאטור חימום בנאלי עולה בראש. עם זאת, במקרה של סוללות סולאריות המצב שונה בתכלית. הם לא צוברים שום דבר בעצמם.

הפאנל הסולארי מייצר זרם חשמלי קבוע. כדי להמיר אותו למשתנה (בשימוש בחיי היומיום), חייב להיות מהפך במעגל

פאנלים סולאריים מיועדים אך ורק ליצירת זרם חשמלי. זה, בתורו, מצטבר כדי לספק לבית חשמל בלילה, כשהשמש יורדת מתחת לאופק, כבר בסוללות הקיימות בנוסף במעגל אספקת האנרגיה של המתקן.

הסוללה כאן מיועדת בהקשר של קבוצה מסוימת של רכיבים דומים המורכבים למכלול אחד. למעשה, זה רק פאנל של כמה תאים פוטולוגיים זהים.

מבנה פנימי של סוללה סולארית

בהדרגה, הפאנלים הסולאריים הופכים לזולים ויעילים יותר.הם משמשים כיום לטעינת סוללות בפנסי רחוב, סמארטפונים, מכוניות חשמליות, בתים פרטיים ולוויינים בחלל. הם אפילו החלו לבנות תחנות כוח סולאריות מלאות (SPPs) עם נפחי ייצור גדולים.

סוללה סולארית מורכבת מתאי פוטו (ממירים פוטואלקטריים) רבים הממירים את האנרגיה של פוטונים מהשמש לחשמל

כל סוללה סולארית מעוצבת כגוש של מספר מסוים של מודולים, המשלבים תאים פוטולוגיים מוליכים למחצה המחוברים בסדרה. כדי להבין את עקרונות הפעולה של סוללה כזו, יש צורך להבין את פעולת הקישור הסופי הזה במכשיר הפנל הסולארי, שנוצר על בסיס מוליכים למחצה.

סוגי גבישי פוטו

ישנן מספר עצום של אפשרויות FEP העשויות מיסודות כימיים שונים. עם זאת, רובם התפתחויות בשלבים ראשוניים. עד כה, רק פאנלים העשויים מתאי פוטו-וולטאיים מבוססי סיליקון מיוצרים כיום בקנה מידה תעשייתי.

מוליכים למחצה סיליקון משמשים לייצור תאים סולאריים בשל העלות הנמוכה שלהם; הם לא יכולים להתפאר ביעילות גבוהה במיוחד

תא פוטו אופייני בפאנל סולארי הוא רקיק דק של שתי שכבות של סיליקון, שלכל אחת מהן תכונות פיזיקליות משלה. זהו צומת p-n של מוליכים למחצה קלאסיים עם צמדי אלקטרונים-חור.

כאשר פוטונים פוגעים בתא הפוטו-וולטאי בין שכבות מוליכים למחצה אלו, עקב חוסר ההומוגניות של הגביש, נוצר פוט-EMF של שער, וכתוצאה מכך הפרש פוטנציאלים וזרם אלקטרונים.

פרוסות סיליקון של תאים סולאריים נבדלים בטכנולוגיית הייצור ל:

1. חד גבישי.
2. רב גבישי.

לראשונים יש יעילות גבוהה יותר, אך עלות הייצור שלהם גבוהה מזו של האחרונים. מבחינה חיצונית, ניתן להבחין בין אפשרות אחת לאחרת בפאנל סולארי לפי צורתה.

לתאים סולאריים חד-גבישיים יש מבנה הומוגני; הם עשויים בצורה של ריבועים עם פינות חתוכות. לעומת זאת, לאלמנטים פוליגריסטליים יש צורה מרובעת לחלוטין.

פוליגריסטלים מתקבלים על ידי קירור הדרגתי של סיליקון מותך. שיטה זו פשוטה ביותר, וזו הסיבה שתאי פוטו כאלה אינם יקרים.

אבל הפרודוקטיביות שלהם במונחים של ייצור חשמל מקרני שמש עולה רק לעתים רחוקות על 15%. זה נובע מה"טומאה" של פרוסות הסיליקון המתקבלות והמבנה הפנימי שלהן. כאן, ככל ששכבת סיליקון p טהורה יותר, כך היעילות של התא הסולארי ממנה גבוהה יותר.

הטוהר של גבישים בודדים בהקשר זה הוא הרבה יותר גבוה מזה של אנלוגים רב גבישיים. הם עשויים לא מקריסטל סיליקון מוצק שגדל באופן מלאכותי. מקדם ההמרה הפוטואלקטרי של תאים סולאריים כאלה כבר מגיע ל-20-22%.

תאי פוטו בודדים מורכבים למודול משותף על מסגרת אלומיניום, וכדי להגן עליהם הם מכוסים מלמעלה בזכוכית עמידה, שאינה מפריעה בשום צורה לקרני השמש.

השכבה העליונה של לוחית הפוטו-תא הפונה לשמש עשויה מאותו סיליקון, אך בתוספת זרחן. זה האחרון יהיה המקור לעודף אלקטרונים במערכת צומת pn.

פריצת דרך אמיתית בתחום האנרגיה הסולארית הייתה פיתוח של פאנלים גמישים עם סיליקון פוטו-וולטאי אמורפי:

עקרון הפעולה של פאנל סולארי

כאשר אור השמש נופל על תא פוטו, נוצרים בו זוגות אלקטרונים-חורים שאינם בשיווי משקל. עודפי אלקטרונים וחורים מועברים חלקית דרך צומת pn משכבה אחת של המוליך למחצה לאחרת.

כתוצאה מכך, מתח מופיע במעגל החיצוני. במקרה זה, נוצר קוטב חיובי של המקור הנוכחי במגע של שכבת p, וקוטב שלילי בשכבת n.

הפרש הפוטנציאל (מתח) בין המגעים של הפוטו-תא מופיע עקב שינוי במספר ה"חורים" והאלקטרונים בצדדים שונים של צומת p-n כתוצאה מהקרנה של שכבת n בקרני שמש.

תאי פוטו המחוברים לעומס חיצוני בצורת סוללה יוצרים איתו מעגל קסמים. כתוצאה מכך, הפאנל הסולארי פועל כמעין גלגל שלאורכו "רוצצים" אלקטרונים בין חלבונים. והסוללה תופסת בהדרגה טעינה.

ממירי סיליקון פוטו-וולטאיים סטנדרטיים הם תאים עם צומת יחיד.זרימת האלקטרונים לתוכם מתרחשת רק דרך צומת p-n אחד עם אזור של מעבר זה מוגבל באנרגיית הפוטון.

כלומר, כל תא פוטו כזה מסוגל לייצר חשמל רק מספקטרום צר של קרינת שמש. כל שאר האנרגיה מבוזבזת. זו הסיבה שהיעילות של FEP כל כך נמוכה.

כדי להגביר את היעילות של תאים סולאריים, אלמנטים מוליכים למחצה סיליקון עבורם החלו לאחרונה להיות רב צומתים (מפל). יש כבר כמה מעברים בתאים הסולאריים החדשים. יתר על כן, כל אחד מהם במפל זה מיועד לספקטרום אור השמש שלו.

היעילות הכוללת של המרת פוטונים לזרם חשמלי עבור תאי פוטו כאלה עולה בסופו של דבר. אבל המחיר שלהם הרבה יותר גבוה. כאן, או קלות ייצור עם עלות נמוכה ויעילות נמוכה, או תשואה גבוהה יותר יחד עם עלות גבוהה.

הפאנל הסולארי יכול לעבוד גם בקיץ וגם בחורף (הוא צריך אור, לא חום) - ככל שהשמש פחות מעוננת וככל שהשמש תזרח יותר, כך הפאנל הסולארי יפיק יותר זרם חשמלי

במהלך הפעולה, תא הפוטו והסוללה כולה מתחממים בהדרגה. כל האנרגיה שלא נוצלה להפקת זרם חשמלי הופכת לחום. לעתים קרובות הטמפרטורה על פני הפאנל הסולארי עולה ל-50-55 מעלות צלזיוס. אבל ככל שהוא גבוה יותר, כך התא הפוטו-וולטאי פועל פחות ביעילות.

כתוצאה מכך, אותו דגם של סוללה סולארית מייצר פחות זרם במזג אוויר חם מאשר במזג אוויר קר. תאי צילום מראים יעילות מרבית ביום חורף בהיר. ישנם שני גורמים שמשחקים כאן - הרבה שמש וקירור טבעי.

יתרה מכך, אם יירד שלג על הפאנל, הוא עדיין ימשיך לייצר חשמל.יתר על כן, לפתיתי השלג אפילו לא יהיה זמן לשכב עליו הרבה, לאחר שנמסו מהחום של תאי הפוטו המחוממים.

יעילות סוללה סולארית

תא פוטו אחד, גם בצהריים במזג אוויר בהיר, מייצר מעט מאוד חשמל, מספיק רק להפעלת פנס LED.

כדי להגדיל את הספק המוצא, משולבים מספר תאים סולאריים במעגל מקביל להגברת מתח ה-DC ובמעגל סדרתי להגברת הזרם.

היעילות של פאנלים סולאריים תלויה ב:

• טמפרטורת האוויר והסוללה עצמה;
• בחירה נכונה של התנגדות עומס;
• זווית נפילת אור השמש;
• נוכחות/היעדר ציפוי אנטי-רפלקטיבי;
• כוח שטף אור.

ככל שהטמפרטורה בחוץ נמוכה יותר, כך תאי הפוטו והסוללה הסולארית ככלל פועלים יעילים יותר. הכל פשוט כאן. אבל עם חישוב עומס המצב מסובך יותר. יש לבחור אותו בהתבסס על הזרם שסופק על ידי הפאנל. אבל ערכו משתנה בהתאם לגורמי מזג האוויר.

פאנלים סולאריים מיוצרים עם מתח מוצא שהוא כפולה של 12 וולט - אם צריך לספק 24 וולט לסוללה, אז יהיה צורך לחבר אליו שני פאנלים במקביל

מעקב מתמיד אחר הפרמטרים של סוללה סולארית והתאמה ידנית של פעולתה הוא בעייתי. בשביל זה עדיף להשתמש בקר בקרה, שמתאים אוטומטית את הגדרות הפאנל הסולארי על מנת להגיע לביצועים מקסימליים ולמצבי פעולה אופטימליים ממנו.

זווית ההתרחשות האידיאלית של קרני השמש על סוללה סולארית היא ישרה. עם זאת, אם הסטייה היא בטווח של 30 מעלות מהניצב, יעילות הפאנל יורדת בכ-5% בלבד.אבל עם עלייה נוספת בזווית זו, שיעור הולך וגדל של קרינת השמש ישתקף, ובכך יקטין את היעילות של התא הסולארי.

אם הסוללה נדרשת להפיק אנרגיה מקסימלית בקיץ, אז היא צריכה להיות מכוונת בניצב למיקום הממוצע של השמש, אותה היא תופסת בימי השוויון באביב ובסתיו.

עבור אזור מוסקבה, זה בערך 40-45 מעלות לאופק. אם יש צורך במקסימום בחורף, אז הפאנל צריך להיות ממוקם במצב אנכי יותר.

ועוד דבר - אבק ולכלוך מפחיתים מאוד את הביצועים של תאי פוטו. פוטונים פשוט לא מגיעים אליהם דרך מחסום "מלוכלך" כזה, מה שאומר שאין מה להמיר לחשמל. את הפאנלים יש לשטוף באופן קבוע או להניח כך שהאבק יישטף בגשם בכוחות עצמם.

לחלק מהפאנלים הסולאריים יש עדשות מובנות לריכוז קרינה בתא הסולארי. במזג אוויר בהיר זה מוביל ליעילות מוגברת. עם זאת, בעננים כבדים, עדשות אלו רק גורמות נזק.

אם פאנל קונבנציונלי במצב כזה ימשיך לייצר זרם, אם כי בנפחים קטנים יותר, אז דגם העדשה יפסיק לעבוד כמעט לחלוטין.

השמש צריכה להאיר באופן אידיאלי סוללה של תאי פוטו באופן שווה. אם מתברר שאחד הקטעים שלו מוחשך, אז התאים הסולאריים הלא מוארים הופכים לעומס טפילי. לא רק שהם לא מייצרים אנרגיה במצב כזה, אלא שהם גם לוקחים אותה מהאלמנטים הפועלים.

יש להתקין את הפאנלים כך שלא יהיו עצים, מבנים או מכשולים אחרים בנתיב קרני השמש.

דיאגרמת אספקת חשמל סולארית לבית

מערכת אספקת החשמל הסולארית כוללת:

1. פנלים סולאריים.
2. בקר.
3. סוללות.
4. מהפך (שנאי).

הבקר במעגל זה מגן גם על פאנלים סולאריים וגם על סוללות. מצד אחד הוא מונע זרימת זרמים הפוכים בלילה ובמזג אוויר מעונן, ומצד שני הוא מגן על הסוללות מפני טעינה/פריקה מוגזמת.

יש לבחור סוללות נטענות לפאנלים סולאריים זהים בגיל ובקיבולת, אחרת טעינה/פריקה תתרחש בצורה לא אחידה, מה שיוביל להפחתה חדה בחיי השירות שלהם

כדי להפוך זרם ישר של 12, 24 או 48 וולט לזרם חילופין 220 וולט אתה צריך ממיר מתח. סוללות לרכב אינן מומלצות לשימוש במעגל כזה בגלל חוסר יכולתן לעמוד בטעינה תכופה. עדיף להוציא כסף ולרכוש הליום AGM מיוחד או סוללות OPzS מוצפות.

מסקנות וסרטון שימושי בנושא

עקרונות הפעלה ו דיאגרמות חיבור של פאנל סולארי לא קשה מדי להבנה. ועם חומרי הווידאו שאספנו להלן, יהיה קל עוד יותר להבין את כל המורכבויות של התפקוד וההתקנה של פאנלים סולאריים.

נגיש ומובן כיצד פועלת סוללה סולארית פוטו-וולטאית, על כל פרטיה:

ראה כיצד פועלים פאנלים סולאריים בסרטון הבא:

הרכבת פאנלים סולאריים בעצמך מתאי פוטו:

כל אלמנט ב מערכת אנרגיה סולארית יש לבחור נכון את הקוטג'. הפסדי חשמל בלתי נמנעים מתרחשים בסוללות, בשנאים ובבקר. ויש לצמצם אותם למינימום, אחרת היעילות הנמוכה ממילא של פאנלים סולאריים תופחת לאפס.

האם היו לך שאלות במהלך לימוד החומר? או האם אתה יודע מידע רב ערך על נושא המאמר ויכול לחלוק אותו עם הקוראים שלנו? אנא השאר את הערותיך בבלוק למטה.