Päikesepatarei tööpõhimõte: kuidas päikesepaneel on ehitatud ja töötab

Tasuta päikesekiirte tõhus muundamine energiaks, mida saab kasutada elamute ja muude objektide elektrivarustuseks, on paljude rohelise energia pooldajate hellitatud unistus.

Kuid päikesepatarei tööpõhimõte ja selle kasutegur on sellised, et nende süsteemide suurest tõhususest ei maksa veel rääkida. Oleks tore soetada omaenda täiendav elektrienergia allikas. Eks ole? Seda enam, et juba täna varustatakse Venemaal päikesepaneelide abil "tasuta" elektriga edukalt paljusid eramajapidamisi. Kas Te ikka veel ei tea, millest alustada?

Allpool räägime Teile päikesepaneeli ehitusest ja tööpõhimõtetest, saate teada, millest sõltub päikesesüsteemi tõhusus. Artiklis olevad videod aitavad Teil oma kätega fotoelementidest päikesepaneeli kokku panna.

Päikesepatareid: terminoloogia

Päikeseenergia teemas on palju nüansse ja segadust. Algajatel on tihti raske kõigist võõrastest terminitest alguses aru saada. Kuid ilma selleta on ebamõistlik päikeseenergiaga tegeleda, soetades endale seadmeid "päikese" voolu genereerimiseks.

Teadmatusest võib mitte ainult valida sobimatut paneeli, vaid ka selle ühendamisel lihtsalt ära põletada või sellest liiga väikese energiakoguse kätte saada.

Kõigepealt tuleb selgeks saada päikeseenergiaseadmete olemasolevad liigid. Päikesepatareid ja päikesekollektorid on kaks põhimõtteliselt erinevat seadet. Mõlemad muudavad päikesekiirte energiat.

Kuid esimesel juhul saab tarbija väljundis elektrienergiat, teisel juhul aga soojusenergiat kuumutatud soojuskandja kujul, st päikesepaneele kasutatakse kodu kütmiseks.

Maksimaalse tootlikkuse päikesepaneelist saab ainult siis, kui tead, kuidas see töötab, millistest komponentidest ja sõlmedest see koosneb ning kuidas kõike õigesti ühendada.

Teine nüanss on termini "päikesepatarei" mõiste ise. Tavaliselt mõistetakse sõna "patarei" all mingit elektrienergiat akumuleerivat seadet. Või tuleb meelde tavaline kütteradiaator. Kuid päikesepatareide puhul on olukord täiesti erinev. Need ei akumuleeri endas midagi.

Päikesepaneel genereerib alalisvoolu. Selle muutmiseks vahelduvvooluks (kasutatakse kodudes) peab skeemis olema inverter.

Päikesepatareid on mõeldud üksnes elektrivoolu genereerimiseks. See omakorda akumuleeritakse, et varustada maja öösel elektriga, kui päike loojub, objekti energiavarustusskeemis täiendavalt olemasolevates akudes.

Patarei all mõeldakse siin teatud hulga ühesuguste komponentide kogumit, mis on kokku pandud ühtseks tervikuks. Tegelikult on see lihtsalt paneel, mis koosneb mitmest identsest fotoelemendist.

Päikesepatarei sisemine ehitus

Järk-järgult muutuvad päikesepatareid odavamaks ja tõhusamaks. Praegu kasutatakse neid akude laadimiseks tänavavalgustites, nutitelefonides, elektriautodes, eramajades ja kosmosesatelliitidel. Neist on hakatud ehitama isegi täisväärtuslikke päikeseelektrijaamu (PEJ) suurte genereerimismahtudega.

Päikesepatarei koosneb paljudest fotoelementidest (fotoelektrilistest muunduritest FEP), mis muudavad päikese footonite energia elektrienergiaks.

Iga päikesepatarei on üles ehitatud plokina, mis koosneb teatud arvust moodulitest, mis ühendavad endas järjestikku ühendatud pooljuht-fotoelemente. Et mõista sellise patarei tööpõhimõtteid, tuleb aru saada selle lõpplüli tööst päikesepaneeli seadmes, mis on loodud pooljuhtide baasil.

Fotoelementide kristallide tüübid

Fotogalvaaniliste elementide (FGE) variante erinevatest keemilistest elementidest on tohutult palju. Enamik neist on aga algfaasis olevad arendused. Tööstuslikus mastaabis toodetakse praegu veel ainult ränipõhistest fotoelementidest paneele.

Ränipooljuhte kasutatakse päikesepatareide valmistamisel nende odavuse tõttu, eriti kõrge kasuteguriga nad kiidelda ei saa.

Tavaline fotoelement päikesepaneelis on õhuke plaat, mis koosneb kahest ränikihist, millest kummalgi on oma füüsikalised omadused. See on klassikaline pooljuhtide p-n-siire elektron-aukpaaridega.

Fotogalvaanilisele elemendile langevate footonite toimel tekib nende pooljuhtkihtide vahel kristalli ebahomogeensuse tõttu ventiilfoto-EMJ, mille tulemusena tekib potentsiaalide erinevus ja elektronide vool.

Fotoelementide räniplaadid erinevad tootmistehnoloogia poolest järgmisteks:

1. Monokristallilised.
2. Polükristallilised.

Esimesed on kõrgema kasuteguriga, kuid nende tootmiskulu on suurem kui teistel. Välimuselt saab üht varianti teisest päikesepaneelil eristada kuju järgi.

Monokristallilistel fotoelementidel on homogeenne struktuur, need on kärbitud nurkadega ruutudena. Erinevalt neist on polükristallilised elemendid rangelt ruudukujulised.

Polükristalle saadakse sulatatud räni järkjärgulise jahutamise tulemusena. See meetod on äärmiselt lihtne, mistõttu need fotoelemendid on odavad.

Kuid nende tootlikkus päikesevalgusest elektrienergia tootmisel ületab harva 15%. Selle põhjuseks on saadud räniplaatide "ebapuhtus" ja nende sisemine struktuur. Mida puhtam on räni p-kiht, seda kõrgem on sellest valmistatud fotoelemendi kasutegur.

Monokristallide puhtus on selles osas palju kõrgem kui polükristallilistel analoogidel. Neid ei valmistata sulatatud ränist, vaid kunstlikult kasvatatud tervest ränikristallist. Selliste fotoelementide fotoelektrilise muundamise koefitsient ulatub juba 20-22%.

Ühiseks mooduliks monteeritakse üksikud fotoelemendid alumiiniumraamile ja kaitseks kaetakse need pealt vastupidava klaasiga, mis ei takista päikesekiiri.

Päikese poole suunatud fotoelemendi plaadi pealmine kiht on valmistatud samast ränist, kuid fosfori lisandiga. Just viimane on p-n-siirde süsteemis liigsete elektronide allikaks.

Tõeliseks läbimurdeks päikeseenergia kasutamise vallas sai amorfse fotoelektrilise räniga paindlike paneelide väljatöötamine.

Päikesepaneeli tööpõhimõte

Päikesekiirte langedes fotoelemendile tekivad selles mittetasakaalulised elektron-auk paarid. Liigsed elektronid ja "augud" kantakse osaliselt üle p-n-siirde kaudu ühest pooljuhikihist teise.

Tulemuseks tekib välisahelas pinge. Sel juures p-kihi kontaktil moodustub vooluallika positiivne poolus, n-kihil aga negatiivne.

Potentsiaalide erinevus (pinge) fotoelemendi kontaktide vahel tekib tänu aukude ja elektronide arvu muutumisele p-n-siirde eri külgedel, mis tuleneb n-kihi kiiritamisest päikesekiirtega.

Akuna väliskoormusega ühendatud fotoelemendid moodustavad sellega suletud ringi. Selle tulemusena töötab päikesepaneel nagu omamoodi ratas, millel elektronid koos footonitega jooksevad. Aku aga kogub järk-järgult laetust.

Standardsed ränist fotogalvaanilised muundurid on ühe siirdega elemendid. Elektronide ülevool nendes toimub ainult läbi ühe p-n-siirde, mille selle siirde tsoon on footonite energia poolest piiratud.

See tähendab, et iga selline fotoelement suudab genereerida elektrienergiat ainult kitsast päikesekiirguse spektrist. Ülejäänud energia läheb raisku. Seetõttu ongi fotoelektriliste muundurite kasutegur nii madal.

Päikesepatareide kasuteguri tõstmiseks on viimasel ajal hakatud nende ränipooljuhtelemente valmistama mitme siirdega (kaskaadsetena). Uutes fotoelektrilistes muundurites on juba mitu siiret. Kusjuures igaüks neist selles kaskaadis on kavandatud oma päikesekiirte spektrile.

Selliste fotoelementide footonite muundamise efektiivsus elektrivooluks suureneb lõpuks. Kuid ka nende hind on oluliselt kõrgem. Siin on kas valmistamise lihtsus madala omahinna ja väikese kasuteguriga või suurem tootlus koos kõrge maksumusega.

Päikesepatarei võib töötada nii suvel kui ka talvel (see vajab valgust, mitte soojust) – mida vähem on pilvisust ja mida eredamalt päike paistab, seda rohkem genereerib päikesepaneel elektrivoolu.

Töötamise ajal soojeneb fotoelement ja kogu patarei järk-järgult. Kogu see energia, mis ei läinud elektrivoolu genereerimiseks, muundub soojuseks. Sageli tõuseb temperatuur päikesepaneeli pinnal kuni 50–55 °C. Kuid mida kõrgem see on, seda vähem efektiivselt töötab fotogalvaaniline element.

Lõpuks genereerib sama päikesepatarei mudel kuumas vähem voolu kui külmas. Fotoelemendid näitavad maksimaalset kasutegurit selgel talvepäeval. Siin mõjuvad kaks tegurit – palju päikest ja loomulik jahutus.

Samas, kui paneelile langeb lund, jätkab see siiski elektrienergia genereerimist. Pealegi ei jõua lumehelbed sellel eriti pikalt lebada, sulades kuumutatud fotoelementide soojusest.

Päikesepatareide tõhusus

Üks fotoelement annab isegi keskpäeval selge ilmaga väga vähe elektrienergiat, piisavalt vaevu LED-taskulambi tööks.

Väljundvõimsuse suurendamiseks ühendatakse mitu fotoelektrilist muundurit paralleelselt alalispinge suurendamiseks ja järjestikku voolutugevuse tõstmiseks.

Päikesepaneelide efektiivsus sõltub:

• õhu ja patarei enda temperatuurist;
• koormustakistuse õigest valikust;
• päikesekiirte langemisnurga;
• pimestusvastase katte olemasolu/puudumise;
• valgusvoo võimsuse.

Mida madalam on välisõhu temperatuur, seda tõhusamalt töötavad fotoelemendid ja päikesepatarei tervikuna. Siin on kõik lihtne. Koormuse arvutamisega on aga olukord keerulisem. Seda tuleb valida paneeli toodetava voolu põhjal. Kuid selle suurus muutub sõltuvalt ilmastikutingimustest.

Päikesepaneele toodetakse väljundpingega, mis on 12 V kordne – kui akule on vaja anda 24 V, tuleb kaks paneeli sellega paralleelselt ühendada.

Päikesepatarei parameetrite pidev jälgimine ja käsitsi reguleerimine on problemaatiline. Selleks on parem kasutada juhtimiskontrollerit, mis reguleerib automaatrežiimis päikesepaneeli sätteid, et saavutada maksimaalne tootlikkus ja optimaalsed töörežiimid.

Ideaalne päikesekiirte langemisnurk päikesepatareile on sirge. Kuid kõrvalekalde korral kuni 30 kraadi ristsuunast langeb paneeli efektiivsus vaid umbes 5%. Kuid selle nurga edasisel suurenemisel peegeldub üha suurem osa päikesekiirgusest, vähendades seeläbi fotoelemendi kasutegurit.

Kui patareilt nõutakse, et see annaks suvel maksimaalselt energiat, tuleks see suunata risti Päikese keskmise asendiga, mis on kevadisel ja sügisesel pööripäeval.

Moskva piirkonna puhul on see ligikaudu 40–45 kraadi horisondi suhtes. Kui maksimumi on vaja talvel, tuleb paneel paigaldada vertikaalsemasse asendisse.

Ja veel üks aspekt – tolm ja mustus vähendavad oluliselt fotoelementide tootlikkust. Footonid lihtsalt ei jõua sellise "määrdunud" takistuse kaudu nendeni, mis tähendab, et pole midagi muuta elektrienergiaks. Paneele tuleb regulaarselt pesta või paigaldada nii, et tolm saaks vihmaga ise maha loputatud.

Mõnel päikesepatareil on sisseehitatud läätsed kiirguse koondamiseks fotoelemendile. Selge ilmaga suurendab see kasutegurit. Kuid tugeva pilvisuse korral teevad need läätsed ainult kahju.

Kui tavaline paneel sellises olukorras jätkab voolu tootmist, ehkki väiksemas mahus, siis läätsemudel lakkab töötamast peaaegu täielikult.

Päike peaks ideaalis valgustama fotoelementidest patareid ühtlaselt. Kui mõni selle osa jääb varju, muutuvad valgustamata fotoelemendid parasiitkoormuseks. Nad ei tooda mitte ainult sellises olukorras energiat, vaid võtavad seda ka töötavatelt elementidelt.

Paneele tuleb paigaldada nii, et päikesekiirte teel ei oleks puid, hooneid ega muid takistusi.

Maja elektrivarustuse skeem päikeseenergiast

Päikeseenergia elektrivarustussüsteem hõlmab:

1. Päikesepaneelid.
2. Kontroller.
3. Akud.
4. Inverter (trafo).

Selle skeemi kontroller kaitseb nii päikesepatareisid kui ka akusid. Ühelt poolt takistab ta öösiti ja pilvise ilmaga vastupidiste voolude teket, teisalt kaitseb ta akusid liigse laadimise/tühjenemise eest.

Päikesepaneelide akusid tuleks valida ühesuguse vanuse ja mahutavusega, vastasel juhul toimub laadimine/tühjenemine ebaühtlaselt, mis põhjustab nende kasutusea järsu vähenemise.

12, 24 või 48 V alalisvoolu muundamiseks 220 V vahelduvvooluks on vaja inverterit. Autoakude kasutamist sellises skeemis ei soovitata, kuna need ei talu sagedast ülelaadimist. Parim on kulutada ja osta spetsiaalsed geel-AGM või täidetavad OPzS akud.

Järeldused ja kasulik video teemal

Päikesepatareide tööpõhimõtted ja ühendusskeemid pole mõistmiseks liiga keerulised. Ja allpool meie poolt koostatud videomaterjalidega on veelgi lihtsam mõista kõiki päikesepaneelide toimimise ja paigalduse nüansse.

Arusaadavalt ja selgelt, kuidas fotogalvaaniline päikesepaneel töötab, kõigis üksikasjades:

Kuidas päikesepatareid on ehitatud, vaadake järgmisest videost:

Päikesepaneeli kokkupanek fotoelementidest oma kätega:

Iga element suvila päikeseenergiavarustussüsteemis tuleb valida asjatundlikult. Võimsuskadusid esineb paratamatult akudel, trafodel ja kontrolleril. Ja need tuleb kindlasti minimeerida, muidu muutub juba niigi madal päikesepaneelide efektiivsus nulliks.

Kas materjali õppimise käigus tekkis küsimusi? Või teate teie väärtuslikku teavet artikli teemal ja saate seda meie lugejatele edastada? Palun jätke oma kommentaarid allolevasse blokki.