A napelemes akkumulátor működésének elve: a napelem elrendezése és működése

A szabad napsugarak hatékony átalakítása energiává, amely felhasználható a házak és más létesítmények táplálására, sok zöldalkalmazó áhított álma.

A napkollektor működésének alapelve és hatékonysága azonban olyan, hogy nem kell beszélni az ilyen rendszerek magas hatékonyságáról. Jó lenne, ha rendelkezne saját kiegészítő áramforrással. Hát nem? Sőt, még ma is Oroszországban a napelemek segítségével jelentős számú háztartást kapnak sikeresen „ingyenes” árammal. Még mindig nem tudja, hol kezdje?

Az alábbiakban elmondjuk a napelemes berendezésről és működési elveiről, megtudhatja, miben függ a napenergia rendszer hatékonysága. És a cikkben közzétett videók segítenek a napelemek személyes összeállításában a fotoelemekből.

Napelemek: terminológia

A "napenergia" témájában rengeteg árnyalattal és zavart találunk. A kezdőknek gyakran nehéz először megérteni az összes ismeretlen kifejezést. Ennek nélkül ésszerűtlen a napenergiában való részvétel, a „napenergia” előállításához szükséges berendezések beszerzése.

Tudatlanul nemcsak a rossz panelt választhatja meg, hanem csatlakoztatva is elégetheti, vagy túl kevés energiát vehet ki belőle.

Először meg kell értenie a napenergia-berendezések meglévő fajtáit. A napelemek és a napkollektorok két alapvetően különféle eszköz. Mindkettő átalakítja a nap sugarai energiáját.

Az első esetben azonban a fogyasztó villamos energiát kap a kimeneten, második esetben pedig a hőenergiát fűtött hűtőfolyadék formájában, azaz napelemeket használnak ház fűtése.

A napelem maximális megtérülése csak azáltal érhető el, hogy működik, milyen alkatrészekből és alkotóelemekből áll, és hogyan működik megfelelően

A második árnyalat maga a „napelem” fogalma. Általában az "akkumulátor" szó valamilyen energiatároló eszközre utal. Vagy eszébe jut egy banális fűtőtest. A napelemek esetében azonban a helyzet gyökeresen más. Semmit sem halmoznak fel magukban.

A napelem állandó elektromos áramot generál. Ha átalakítja egy változóvá (a mindennapi életben használt), egy inverternek jelen kell lennie az áramkörben

A napelemeket kizárólag az elektromos áram generálására tervezték. Ez viszont felhalmozódik, hogy éjjel, amikor a nap lenyugszik a láthatáron, árammal látja el a házat a villamos energiával, már a tárgy tápegysége mellett jelen lévő akkumulátorokban is.

Az akkumulátort itt az azonos típusú alkatrészek egységes egészként összeállított bizonyos kombinációjának összefüggésében értjük. Valójában ez csak egy elem, amely több azonos fotocellát tartalmaz.

A napelem belső szerkezete

A napelemek fokozatosan olcsóbbak és hatékonyabbak. Most már az utcai lámpákban, okostelefonokban, elektromos autókban, magánlakásokban és az űrben lévő műholdakban töltik az elemeket. Ezek közül még teljes erejű napenergia-erőműveket (SES) kezdtek építeni, nagy mennyiségű termeléssel.

A napelem sok fotocellából (fotovoltaikus elemek fotovoltaikus átalakítóiból) áll, amelyek a nap fotonjainak energiáját villamos energiává alakítják

Mindegyik napelem akkumulátor egy sor olyan modul blokkjaként van elrendezve, amelyek sorozatban félvezető fotocellákat tartalmaznak. Az ilyen akkumulátor működési elveinek megértéséhez meg kell érteni ennek a végső kapcsolatnak a működését a félvezetők alapján létrehozott napelemes eszközben.

A fotocellák kristályainak típusai

Sokféle lehetőség van a különböző kémiai elemekből származó napelemekre. Legtöbbjük azonban a fejlesztés a kezdeti szakaszban. Eddig csak szilikon alapú napelemekből készült paneleket gyártanak ipari méretekben.

A szilikon félvezetőket napelemek gyártásánál használják alacsony költségeik miatt, mert nem büszkélkedhetnek különösen nagy hatékonysággal

A napelemekben a szokásos napelem egy vékony lemez, amely két szilikonrétegből áll, amelyek mindegyikének megvannak a saját fizikai tulajdonságai. Ez egy klasszikus félvezető pn csatlakozás, elektron-lyuk párokkal.

Amikor a fotonok a félvezető e rétegei között a kristály inhomogenitása miatt eltalálják a PEC-t, kapu-fotoemf képződik, amely potenciálkülönbséget és elektronáramot eredményez.

A napelemek szilícium ostya gyártási technológiája az alábbiak szerint különbözik:

1. Monokristályos.
2. Polikristályos.

Az előbbek nagyobb hatékonysággal rendelkeznek, de előállításuk költségei magasabbak, mint az utóbbiak költségei. Külsőleg a napelemen az egyik lehetőség a forma szerint megkülönböztethető.

Az egykristályos PEC-k egységes felépítésűek, vágott sarkokkal ellátott négyzetek formájában készülnek. Ezzel szemben a polikristályos elemek szigorúan négyzet alakúak.

A polikristályokat az olvadt szilícium fokozatos hűtésével állítják elő. Ez a módszer rendkívül egyszerű, ezért az ilyen fotocellák is olcsók.

A napfényből történő villamosenergia-termelés terén a termelékenység ritkán haladja meg a 15% -ot. Ennek oka a kapott szilícium ostya „szennyeződése” és belső szerkezete. Minél tisztább a szilícium p-rétege, annál nagyobb a beépített PEC hatékonysága.

Az egyes kristályok tisztasága ebben a tekintetben sokkal nagyobb, mint a polikristályos analógoké. Nem olvadtból készülnek, hanem egy mesterségesen megnövelt teljes szilíciumkristályból. Az ilyen napelemek fotovoltaikus konverziós együtthatója már eléri a 20–22% -ot.

Egy közös modulban az egyes fotocellákat egy alumínium keretre helyezik, és a fentről való védelem érdekében tartós üveggel zárják le őket, amelyek egyáltalán nem zavarják a napfényt

A napelemlemez felső, a nap felé néző felső rétege ugyanabból a szilíciumból készül, de foszfor hozzáadásával. Ez utóbbi lesz a felesleges elektronok forrása a pn csatlakozórendszerben.

A napenergia felhasználásának valódi áttörése az amorf fotovoltaikus szilíciummal rendelkező rugalmas panelek kifejlesztése volt:

A napelem elve

Amikor a napfény egy fotocellára esik, abban nem egyensúlyi elektron-lyukpárok képződnek. A többlet elektronok és a "lyukak" részben átkerülnek a pn csatlakozáson az egyik félvezető rétegből a másikba.

Ennek eredményeként feszültség jelenik meg a külső áramkörben. Ebben az esetben az áramforrás pozitív pólusa alakul ki a p-réteg érintkezésén, és negatív pólus az n-rétegnél.

A fotocella érintkezői közötti potenciális különbség (feszültség) a p-n csomópont különböző oldalain lévő „lyukak” és az elektronok számának megváltozása miatt, az n-réteg napsugarakkal történő besugárzása eredményeként alakul ki.

A külső teherhez akkumulátorként csatlakoztatott fotocellák ördögi kört képeznek. Ennek eredményeként a napelem úgy működik, mint egyfajta kerék, amelyen az elektronok „futnak” a fehérjékkel együtt. És az újratölthető akkumulátor fokozatosan töltődik.

A szokásos szilícium fotovoltaikus elemek egyetlen csomópontú cellák. Az elektronok bejutása rájuk csak egy p-n csomóponton keresztül történik, amelynek átmeneti zónája a fotonenergiában korlátozott.

Vagyis mindegyik fotocella csak a szűk napsugárzás spektrumából képes villamos energiát termelni. Minden más energia pazarlás. Ezért a napelemek hatékonysága olyan alacsony.

A napelemek hatékonyságának növelése érdekében a szilícium félvezető elemeket a közelmúltban többcsatlakozású (kaszkád) alakítják. Az új FEP-ben már több átmenet van. Sőt, mindegyiket ebben a kaszkádban saját napfény-spektrumukra tervezték.

Az ilyen fotocellákban a fotonok elektromos árammá történő átalakításának teljes hatékonysága végül növekszik. De az ára sokkal magasabb. Itt vagy a gyártás egyszerűsége alacsony költségekkel és alacsony hatékonysággal, vagy a magasabb hozam magas költségekkel együtt.

A napelemes akkumulátor nyáron és télen egyaránt képes működni (fényre van szüksége, nem pedig hőre) - minél kevésbé zavaros és annál fényesebben süt a nap, annál inkább a napelem generál elektromos áramot

Működés közben a fotocella és az egész elem fokozatosan felmelegszik. Az összes energiát, amely nem ment az elektromos áram előállítására, hővessé alakítják. A heliopanel felületén a hőmérséklet gyakran 50–55 ° C-ra emelkedik. De minél magasabb, annál kevésbé hatékony a fotoelektromos elem.

Ennek eredményeként ugyanaz a napelemes modell kevesebb áramot generál a hőben, mint hideg időben. A fotocellák maximális hatékonyságot mutatnak tiszta téli napon. Két tényező befolyásolja ezt - sok nap és a természetes hűtés.

Ezenkívül, ha hó esik a táblára, az egyébként továbbra is villamos energiát termel. Ráadásul a hópelyheknek még nincs idejük lefeküdni rá, és megolvadtak a hevített fotocellák hőjéből.

Napelemek hatékonysága

Egy fénycella még délben is tiszta időben elegendő mennyiségű áramot bocsát ki, csak annyira, hogy a LED-es zseblámpa működjön.

A kimeneti teljesítmény növelése érdekében több napelemet kombinálnak párhuzamos áramkörben az egyenáram feszültségének növelése érdekében, és sorozatban az áramszilárdság növelése érdekében.

A napelemek hatékonysága a következőktől függ:

• a levegő hőmérséklete és maga az elem;
• a terhelési ellenállás helyes kiválasztása;
• a napfény beesési szöge;
• tükröződésmentes bevonat jelenléte / hiánya;
• a fényáram ereje.

Minél alacsonyabb a külső hőmérséklet, annál hatékonyabbak a fotocellák és a napelem. Itt minden egyszerű. A terhelés kiszámításával azonban a helyzet bonyolultabb. A panel által generált áram alapján kell kiválasztani. Értéke azonban az időjárási tényezőktől függően változik.

A Helio paneleket 12 V kimeneti feszültséggel gyártják - ha az akkumulátort 24 V-ra kell táplálni, akkor két panelt párhuzamosan kell csatlakoztatni

Problémát jelent a folyamatos napelem elem paramétereinek monitorozása és működésének kézi beállítása. Jobb használni vezérlő vezérlő, amely automatikusan beállítja magának a napelemnek a beállításait annak érdekében, hogy a maximális teljesítményt és az optimális működési módokat elérje.

A napsugarak ideális beesési szöge egyenes. Ha azonban az eltérés 30 ° -on belül van a merőleges irányától, a panel hatékonysága csak 5% körül esik. Ennek a szögnek a további növekedésével azonban a napsugárzás egyre nagyobb része tükröződik, ezáltal csökkentve a napelemek hatékonyságát.

Ha az akkumulátornak nyáron maximális energiát kell szolgáltatnia, akkor merőlegesen kell irányulnia a Nap átlagos helyzetéhez, amelyet tavasz és őszi napéjegyenlőség napjain foglal el.

A moszkvai régió esetében körülbelül 40–45 fok van a láthatáron. Ha télen a maximálisra van szükség, akkor a panelt függőleges helyzetbe kell helyezni.

És még egy dolog - a por és a szennyeződés jelentősen csökkenti a napelemek teljesítményét. A fotonok egy ilyen "piszkos" gáton keresztül egyszerűen nem érik el őket, ami azt jelenti, hogy nincs semmi, ami villamos energiává alakul. A paneleket rendszeresen le kell mosni vagy úgy kell elhelyezni, hogy az eső önmagában lemossa a port.

Néhány napelemen beépített lencsék vannak a sugárzás koncentrálására a napelemekre. Tiszta időben ez fokozott hatékonyságot eredményez. Nehéz felhőtakarással azonban ezek a lencsék csak ártanak.

Ha egy hagyományos panel ilyen helyzetben továbbra is áramot generál, bár kisebb volumenekben, akkor az objektívmodell szinte teljesen leáll.

Ideális esetben a napelemes akkumulátorból származó napot egyenletesen kell megvilágítani. Ha az egyik szakasz sötétnek bizonyul, akkor a megvilágítatlan PEC parazita terheléssé válik. Ebben a helyzetben nem csak nem termelnek energiát, hanem a munkaelemektől is veszik.

A paneleket úgy kell felszerelni, hogy ne legyenek fák, épületek vagy egyéb akadályok a nap sugarai mentén.

A ház áramellátása a naptól

A napenergia rendszer tartalmazza:

1. Napelemek.
2. Controller.
3. Elemek.
4. Inverter (transzformátor).

Ebben az áramkörben található vezérlő mind a napelemeket, mind az elemeket védi. Egyrészt megakadályozza a fordított áramlások éjszaka és felhős időben történő áramlását, másrészt védi az akkumulátorokat a túlzott feltöltődéstől / kisütéstől.

A napelemek akkumulátorait életkorukban és kapacitásukban azonosnak kell választani, különben a töltés / kisütés egyenetlenül történik, ami élettartama éles csökkenéséhez vezet

A 12, 24 vagy 48 voltos egyenáram váltakozó váltakozó 220 voltosá történő átalakításához szükséges inverter. Az autóakkumulátorokat nem ajánlott ilyen áramkörökben használni, mert képtelenek ellenállni a gyakori újratöltésnek. A legjobb pénzt költeni és speciális hélium AGM vagy zselé OPzS akkumulátorokat vásárolni.

Következtetések és hasznos videó a témáról

Működési elvek és napelemek nem túl bonyolult megérteni. Az alábbiakban összegyűjtött videóanyagokkal még könnyebb megérteni a napelemek működésének és telepítésének minden bonyolult részét.

Minden részletben elérhető és érthető, hogyan működik a fotovoltaikus napelemes akkumulátor:

A napelemek elrendezése, lásd a következő videót:

Napelem DIY szerelése fotocellákból:

Minden elem benne van napenergia rendszer a házat kompetens módon kell kiválasztani. Az akkumulátorok, a transzformátorok és a vezérlő elkerülhetetlen energiaveszteséget okoz. És ezeket minimálisra kell csökkenteni, különben a napelemek kellően alacsony hatékonysága általában nullára csökken.

Az anyag tanulmányozása során voltak kérdések? Vagy tud-e értékes információt a cikk témájáról, és el tudja mondani olvasóinknak? Kérjük, hagyja meg észrevételeit az alábbi mezőben.