Saules baterijas darbības princips: kā uzbūvēts un darbojas saules panelis

Efektīva bezmaksas saules staru pārveidošana enerģijā, ko var izmantot māju un citu objektu elektroapgādei, ir lolots sapnis daudziem zaļās enerģijas piekritējiem.

Taču saules baterijas darbības princips un tās lietderības koeficients ir tādi, ka par šādu sistēmu augstu efektivitāti pagaidām nav jārunā. Būtu labi iegādāties savu papildu elektroenerģijas avotu. Vai ne? Īpaši tāpēc, ka jau šodien arī Krievijā ar saules paneļu palīdzību "bezmaksas" elektroenerģija tiek veiksmīgi piegādāta daudzām privātām mājsaimniecībām. Vai jūs joprojām nezināt, ar ko sākt?

Tālāk mēs jums pastāstīsim par saules paneļa uzbūvi un darbības principiem, jūs uzzināsiet, no kā ir atkarīga saules sistēmas efektivitāte. Un rakstā ievietotie video palīdzēs jums pašrocīgi salikt saules paneli no fotoelementiem.

Saules baterijas: terminoloģija

Saules enerģijas jomā ir diezgan daudz nianšu un neskaidrību. Bieži iesācējiem sākotnēji ir grūti saprast visus nepazīstamos terminus. Bet bez tā nodarboties ar saules enerģiju, iegādājoties aprīkojumu "saules" strāvas ģenerēšanai, nav saprātīgi.

Neapzinoties var ne tikai izvēlēties nepiemērotu paneli, bet arī to vienkārši sabojāt pieslēgšanas laikā vai iegūt no tā pārāk mazu enerģijas daudzumu.

Vispirms jāiepazīstas ar esošajām saules enerģijas iekārtu dažādībām. Saules baterijas un saules kolektori ir divas principiāli atšķirīgas ierīces. Abas pārveido saules staru enerģiju.

Tomēr pirmajā gadījumā patērētājs saņem elektrisko enerģiju, bet otrajā – siltuma enerģiju uzkarsēta dzesētāja veidā, t.i., saules paneļus izmanto mājas apkurei.

Maksimālo atdevi no saules paneļa varēs iegūt tikai zinot, kā tas darbojas, no kādiem komponentiem un mezgliem tas sastāv un kā to visu pareizi pieslēgt

Otrs aspekts – paša termina "saules baterija" jēdziens. Parasti zem vārda "baterija" tiek saprasta kāda elektroenerģiju uzkrājoša ierīce. Vai arī prātā nāk banāls apkures radiators. Taču saules bateriju gadījumā situācija ir kardināli atšķirīga. Tās neko sevī neuzkrāj.

Saules paneļa ģenerē līdzstrāvu. Lai to pārveidotu maiņstrāvā (lieto ikdienā), shēmā jābūt invertoram

Saules baterijas ir paredzētas tikai elektriskās strāvas ģenerēšanai. Tā savukārt tiek uzkrāta mājas apgādei ar elektroenerģiju naktī, kad saule noriet, jau esošajos papildus objekta energoapgādes shēmā esošajos akumulatoros.

Baterija šeit tiek saprasta kā kāda vienāda tipa komponentu kopība, kas salikta vienā veselumā. Faktiski tā ir vienkārši paneļa no vairākiem vienādiem fotoelementiem.

Saules baterijas iekšējā uzbūve

Pamazām saules baterijas kļūst arvien lētākas un efektīvākas. Tagad tās tiek izmantotas akumulatoru uzlādēšanai ielu lampās, viedtālruņos, elektroautomobiļos, privātmājās un kosmosa pavadoņos. No tām sāka pat būvēt pilnvērtīgas saules elektrostacijas (SES) ar lieliem ģenerācijas apjomiem.

Saules baterija sastāv no daudziem fotoelementiem (fotoelektriskajiem pārveidotājiem FEP), kas pārveido saules fotonu enerģiju elektroenerģijā

Katra saules baterija ir veidota kā bloks no noteikta moduļu skaita, kas apvieno sevī virknē savienotus pusvadītāju fotoelementus. Lai saprastu šādas baterijas darbības principus, ir jāizprot šīs saules paneļa ierīces pēdējās saites, kas veidota uz pusvadītāju bāzes, darbība.

Fotoelementu kristālu veidi

Pastāv ļoti daudz dažādu ķīmisko elementu fotoelementu variantu. Tomēr lielākā daļa no tiem ir izstrādes sākuma stadijās. Rūpnieciskā mērogā pašlaik tiek ražoti tikai paneļi no silīcija bāzes fotoelementiem.

Silīcija pusvadītājus izmanto saules bateriju ražošanā to lētuma dēļ, taču tie nevar lepoties ar īpaši augstu efektivitāti.

Parasts fotoelements saules panelī ir plāna plāksne no diviem silīcija slāņiem, no kuriem katram ir savas fizikālās īpašības. Tas ir klasisks pusvadītāju p-n-pārejas ar elektronu-caurumu pāriem.

Kad fotoni nonāk uz fotoelementu, starp šiem pusvadītāju slāņiem kristāla neviendabīguma dēļ rodas vārstu foto-elektrodzinējspēks, kā rezultātā rodas potenciālu starpība un elektronu strāva.

Silīcija fotoelementu plāksnes atšķiras pēc ražošanas tehnoloģijas:

1. Monokristāliskie.
2. Polikristāliskie.

Pirmajiem ir augstāka efektivitāte, bet arī to ražošanas pašizmaksa ir augstāka nekā otriem. Ārēji vienu variantu no otra uz saules paneļa var atšķirt pēc formas.

Monokristāliskiem FEP ir viendabīga struktūra; tie tiek izgatavoti kvadrātu veidā ar nogrieztiem stūriem. Atšķirībā no tiem polikristāliskajiem elementiem ir stingri kvadrātveida forma.

Polikristāli tiek iegūti, pakāpeniski atdzesējot izkausētu silīciju. Šī metode ir ārkārtīgi vienkārša, tāpēc šādi fotoelementi ir lēti.

Taču to produktivitāte saules staru elektroenerģijas ražošanā reti pārsniedz 15%. Tas ir saistīts ar iegūto silīcija plākšņu “netīrību” un to iekšējo struktūru. Jo tīrāks ir silīcija p-slānis, jo augstāks ir no tā izgatavotā FEP lietderības koeficients.

Monokristālu tīrība šajā ziņā ir daudz augstāka nekā polikristāliskiem analogiem. Tos izgatavo nevis no izkausēta, bet no mākslīgi audzēta vesela silīcija kristāla. Šādu FEP fotoelektriskās pārveidošanas koeficients jau sasniedz 20–22%.

Atsevišķi fotoelementi tiek montēti kopējā modulī uz alumīnija rāmja, un to aizsardzībai no augšas tos pārklāj ar izturīgu stiklu, kas nekādi netraucē saules starus.

Augšējais fotoelementa plāksnes slānis, kas vērsts pret sauli, tiek izgatavots no tā paša silīcija, bet ar fosfora piedevu. Tieši pēdējais būs lieko elektronu avots p-n pārejas sistēmā.

Īsts izrāviens saules enerģijas izmantošanas jomā ir elastīgo paneļu ar amorfo fotoelektrisko silīciju izstrāde:

Saules paneļa darbības princips

Saules staru krišanas rezultātā uz fotoelementu tajā tiek ģenerēti nelīdzsvaroti elektronu un caurumu pāri. Liekie elektroni un «caurumi» daļēji tiek pārnesti caur p-n pāreju no viena pusvadītāja slāņa uz otru.

Rezultātā ārējā ķēdē parādās spriegums. Tajā pašā laikā uz p-slāņa kontakta veidojas strāvas avota pozitīvais pols, bet uz n-slāņa – negatīvais.

Potenciālu starpība (spriegums) starp fotoelementa kontaktiem rodas, mainoties "caurumu" un elektronu skaitam abās p-n pārejas pusēs, apstarojot n-slāni ar saules stariem.

Fotoelementi, kas pieslēgti ārējai slodzei akumulatora veidā, veido ar to slēgtu kontūru. Rezultātā saules panelis darbojas kā savdabīgs rats, pa kuru kopā ar vāverēm "skrien" elektroni. Un akumulatoru baterija pakāpeniski uzkrāj lādiņu.

Standarta silīcija fotoelektriskie pārveidotāji ir vienpārejas elementi. Elektronu plūsma tajos notiek tikai caur vienu p-n pāreju ar ierobežotu fotonu enerģijas zonu šajā pārejā.

Tas nozīmē, ka katrs šāds fotoelements spēj ģenerēt elektroenerģiju tikai no šaura saules starojuma spektra. Visa pārējā enerģija tiek izšķiesta. Tāpēc arī fotoelektrisko pārveidotāju efektivitāte ir tik zema.

Lai paaugstinātu saules bateriju efektivitāti, silīcija pusvadītāju elementi pēdējā laikā tiek izgatavoti kā daudzpārejas (kaskādes). Jaunajos fotoelektriskajos pārveidotājos jau ir vairākas pārejas. Turklāt katra no šīm kaskādes pārejām ir paredzēta savam saules staru spektram.

Kopējā fotonu pārvēršanas efektivitāte elektrībā šādos fotoelementos galu galā palielinās. Bet arī to cena ir ievērojami augstāka. Šeit ir vai nu vienkārša izgatavošana ar zemu pašizmaksu un zemu efektivitāti, vai arī augstāka atdeve kopā ar augstām izmaksām.

Saules baterija var darboties gan vasarā, gan ziemā (tai nepieciešama gaisma, nevis siltums) – jo mazāks mākoņu daudzums un spožāk spīd saule, jo vairāk saules panelis ģenerēs elektrisko strāvu.

Darbības laikā fotoelements un visa baterija pakāpeniski uzkarst. Visa tā enerģija, kas netika izmantota elektriskās strāvas ģenerēšanai, pārvēršas siltumā. Bieži vien temperatūra uz saules paneļa virsmas paaugstinās līdz 50–55 °C. Bet jo tā ir augstāka, jo mazāk efektīvi darbojas fotogalvaniskais elements.

Rezultātā viens un tas pats saules baterijas modelis karstumā ģenerē mazāk strāvas nekā salā. Maksimālo efektivitāti fotoelementi uzrāda skaidrā ziemas dienā. Šeit iedarbojas divi faktori – daudz saules un dabiskā dzesēšana.

Turklāt, ja uz paneļa uzkritīs sniegs, tas tik un tā turpinās ģenerēt elektroenerģiju. Vēl vairāk, sniegpārslas pat nepaspēs uz tā īpaši nogulēt, izkūstot no sakarsēto fotoelementu siltuma.

Saules sistēmas bateriju efektivitāte

Viens fotoelements pat pusdienlaikā skaidrā laikā dod tikai nedaudz elektroenerģijas, pietiekamu, iespējams, tikai LED lukturīša darbināšanai.

Lai paaugstinātu izejas jaudu, vairāki fotoelektriskie pārveidotāji tiek apvienoti paralēlā shēmā, lai palielinātu līdzspriegumu, un virknes shēmā, lai palielinātu strāvas stiprumu.

Saules paneļu efektivitāte ir atkarīga no:

• gaisa temperatūras un pašas baterijas;
• slodzes pretestības pareizas izvēles;
• saules staru krišanas leņķa;
• pretspīduma pārklājuma esamības/neesamības;
• gaismas plūsmas jaudas.

Jo zemāka ir āra temperatūra, jo efektīvāk darbojas fotoelementi un saules baterija kopumā. Šeit viss ir vienkārši. Bet ar slodzes aprēķinu situācija ir sarežģītāka. Tā jāizvēlas, balstoties uz paneļa nodrošināto strāvu. Tomēr tās lielums mainās atkarībā no laikapstākļu faktoriem.

Saules paneļi tiek ražoti ar izejas spriegumu, kas ir 12 V daudzkārtnis – ja akumulatoram jāpadod 24 V, tad divi paneļi tam būs jāpievieno paralēli.

Pastāvīgi uzraudzīt saules baterijas parametrus un manuāli koriģēt tās darbību ir problemātiski. Šim nolūkam labāk izmantot vadības kontrolieri, kas automātiskajā režīmā pats pielāgo saules paneļa iestatījumus, lai panāktu no tā maksimālu veiktspēju un optimālus darba režīmus.

Ideālais saules staru krišanas leņķis uz saules bateriju ir taisns leņķis. Tomēr, novirzoties līdz 30 grādiem no perpendikula, paneļa efektivitāte samazinās tikai par aptuveni 5%. Bet, turpinot palielināt šo leņķi, arvien lielāka saules starojuma daļa tiks atstarota, tādējādi samazinot fotoelementu efektivitāti.

Ja no baterijas tiek prasīts, lai tā maksimālo enerģijas daudzumu dotu vasarā, tad tā jāorientē perpendikulāri Saules vidējam stāvoklim, kādu tā ieņem pavasara un rudens ekvinokcijas dienās.

Maskavas reģionam tas ir aptuveni 40–45 grādi pret horizontu. Ja maksimums ir nepieciešams ziemā, tad panelis jānovieto vertikālākā stāvoklī.

Un vēl viens moments – putekļi un netīrumi ievērojami samazina fotoelementu veiktspēju. Fotoni caur šādu “netīru” šķērsli vienkārši nenonāk līdz tiem, un tāpēc nav ko pārveidot elektroenerģijā. Paneļi regulāri jāmazgā vai jānovieto tā, lai putekļus lietus nomazgā pats.

Dažām saules baterijām ir iebūvētas lēcas starojuma koncentrēšanai uz fotoelementiem. Skaidrā laikā tas paaugstina efektivitāti. Tomēr spēcīgas mākoņainības gadījumā šīs lēcas nodara tikai kaitējumu.

Ja parasts panelis šādā situācijā turpinās ģenerēt strāvu, kaut arī mazākos apjomos, tad lēcu modelis pārtrauks darboties gandrīz pilnībā.

Ideālā gadījumā saules bateriju no fotoelementiem vajadzētu apgaismot vienmērīgi. Ja kāds no tās posmiem ir aizēnots, tad neapgaismotie fotoelementi kļūst par parazītisku slodzi. Tie ne tikai šādā situācijā neģenerē enerģiju, bet arī atņem to strādājošiem elementiem.

Paneļi jāuzstāda tā, lai saules staru ceļā nebūtu koku, ēku un citu šķēršļu.

Mājas elektroapgādes shēma no saules

Saules elektroapgādes sistēma ietver:

1. Saules paneļi.
2. Kontrolieris.
3. Akumulatori.
4. Invertors (transformators).

Kontrolieris šajā shēmā aizsargā gan saules baterijas, gan akumulatorus. No vienas puses, tas novērš reverso strāvu plūšanu naktī un mākoņainā laikā, no otras – aizsargā akumulatorus no pārmērīgas uzlādes/izlādes.

Akumulatoru baterijas saules paneļiem jāizvēlas vienāda vecuma un ietilpības, pretējā gadījumā uzlāde/izlāde notiks nevienmērīgi, kas izraisīs krasu to kalpošanas laika samazināšanos.

Lai pārveidotu līdzstrāvu no 12, 24 vai 48 voltiem uz mainstrāvu 220 voltu, nepieciešams invertors. Automobiļu akumulatorus šādā shēmā nav ieteicams izmantot to nespējas izturēt biežas pārlādēšanas dēļ. Vislabāk ir ieguldīt un iegādāties īpašus gēla AGM vai pildāmos OPzS akumulatorus.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Darbības principi un saules bateriju pieslēguma shēmas nav pārāk sarežģīti saprotami. Bet ar mūsu apkopotajiem video materiāliem zemāk būs vēl vieglāk izprast visas saules paneļu darbības un uzstādīšanas nianses.

Saprotami un skaidri par to, kā darbojas fotoelektriskā saules baterija, visās detaļās:

Kā ir veidotas saules baterijas, skatieties nākamajā videorolī:

Saules paneļa montāža no fotoelementiem pašrocīgi:

Katrs elements saules elektroapgādes sistēmā kotedžā ir jāizvēlas pareizi. Neizbēgami jaudas zudumi notiek akumulatoros, transformatoros un kontrollerī. Un tie noteikti jāsamazina līdz minimumam, citādi jau tā pietiekami zemā saules paneļu efektivitāte tiks samazināta līdz nullei.

Mācību materiāla laikā radās jautājumi? Vai Jūs zināt vērtīgu informāciju par raksta tēmu un varat to paziņot mūsu lasītājiem? Lūdzu, atstājiet savus komentārus zemāk esošajā blokā.