Zasada działania baterii słonecznej: jak układa się i działa panel słoneczny

zegar wodny

Ten sposób sterowania urządzeniem obrotowym został wymyślony przez przedsiębiorczego kanadyjskiego studenta i odpowiada za obrót tylko jednej osi, poziomej.

Zasada działania jest również prosta i wygląda następująco:

1. Bateria słoneczna jest instalowana w swoim pierwotnym położeniu, gdy promienie słoneczne padają prostopadle na fotokomórkę.
2. Następnie do jednego z boków przyczepia się pojemnik z wodą, a po drugiej jakiś przedmiot o tej samej wadze, co pojemnik z wodą. Dno pojemnika powinno mieć mały otwór.
3. Przez nią woda będzie stopniowo wypływać ze zbiornika, dzięki czemu waga zmniejszy się, a panel powoli przechyli się w kierunku przeciwwagi. Konieczne będzie eksperymentalne określenie wymiarów otworu na pojemnik.

Ta metoda jest najprostsza.Ponadto oszczędza zasoby materiałowe, które zostałyby wydane na zakup silnika, jak w przypadku mechanizmu zegarowego. Ponadto możesz samodzielnie zainstalować mechanizm obrotowy w postaci zegara wodnego, nawet bez specjalnej wiedzy.

Korzyści z paneli słonecznych

Energia słoneczna to obiecujący obszar, który stale się rozwija. Mają kilka głównych zalet. Łatwość użytkowania, długa żywotność, bezpieczeństwo i przystępna cena.

Pozytywne aspekty użytkowania tego typu baterii:

• Odnawialne – to źródło energii praktycznie nie ma ograniczeń, ponadto jest bezpłatne. Przynajmniej przez następne 6,5 miliarda lat. Konieczne jest wybranie sprzętu, zainstalowanie go i używanie zgodnie z jego przeznaczeniem (w prywatnym domu lub działce).
• Obfitość - Powierzchnia ziemi otrzymuje średnio około 120 000 terawatów energii, co stanowi 20-krotność obecnego zużycia energii. Panele słoneczne do domków jednorodzinnych czy domów prywatnych mają ogromny potencjał zastosowania.
• Stałość - energia słoneczna jest stała, dzięki czemu ludzkość nie jest zagrożona nadmiernymi wydatkami w procesie jej użytkowania.
• Dostępność - energia słoneczna może być generowana w dowolnym obszarze, o ile jest naturalne światło. Najczęściej jednak służy do ogrzewania domu.
• Ekologiczna czystość – energia słoneczna to obiecująca branża, która w przyszłości zastąpi elektrownie działające na nieodnawialnych zasobach: gazie, torfie, węglu i ropie naftowej. Bezpieczny dla zdrowia ludzi i zwierząt.

• Podczas produkcji paneli i montażu elektrowni słonecznych nie dochodzi do znacznych emisji szkodliwych lub toksycznych substancji do atmosfery.
• Cisza – wytwarzanie energii elektrycznej jest prawie bezgłośne, dlatego tego typu elektrownie są lepsze niż farmy wiatrowe. Ich pracy towarzyszy nieustanny szum, przez co sprzęt szybko się psuje, a pracownicy muszą robić częste przerwy na odpoczynek.
• Oszczędność – korzystając z paneli słonecznych właściciele nieruchomości doświadczają znacznego obniżenia rachunków za energię elektryczną. Panele mają długą żywotność - producent udziela na panele gwarancji od 20 do 25 lat. Jednocześnie konserwacja całej elektrowni sprowadza się do okresowego (co 5-6 miesięcy) czyszczenia powierzchni paneli z brudu i kurzu.

Zasada działania baterii słonecznej

W wyniku przepływu ładunku na granicy warstw p i n w warstwie n tworzy się strefa nieskompensowanego ładunku dodatniego, a w warstwie p powstaje ładunek ujemny, tj. znany wszystkim ze szkolnego kursu fizyki p-n-skrzyżowanie. Różnica potencjałów, która występuje na przejściu, różnica potencjałów kontaktowych (bariera potencjałów) zapobiega przechodzeniu elektronów z warstwy p, ale swobodnie przepuszcza mniejsze nośniki w przeciwnym kierunku, co umożliwia uzyskanie foto-EMF przy uderzeniu światła słonecznego ogniwo słoneczne.

Pod wpływem światła słonecznego zaabsorbowane fotony zaczynają generować nierównowagowe pary elektron-dziura. Elektrony generowane w pobliżu przejścia przechodzą z warstwy p do regionu n.

Podobnie nadmiar otworów i warstwa n dostają się do warstwy p (rysunek a). Okazuje się, że ładunek dodatni gromadzi się w warstwie p, a ładunek ujemny w warstwie n, powodując napięcie w obwodzie zewnętrznym (rysunek b). Obecne źródło ma dwa bieguny: dodatni - warstwa p i ujemny - warstwa n.

To podstawowa zasada działania ogniw słonecznych. Elektrony wydają się więc krążyć po okręgu, tj. opuść warstwę p i wróć do warstwy n, przechodząc przez ładunek (akumulator).

Odpływ fotoelektryczny w elemencie jednozłączowym zapewniają tylko te elektrony, które mają energię większą niż szerokość pewnej przerwy energetycznej. Ci, którzy mają mniej energii, nie uczestniczą w tym procesie. Ograniczenie to można usunąć za pomocą struktur wielowarstwowych składających się z więcej niż jednego SC, w których pasmo zabronione różne. Nazywa się je kaskadą, wielokrotnym skrzyżowaniem lub tandemem. Ich konwersja fotoelektryczna jest wyższa ze względu na fakt, że takie ogniwa słoneczne działają z szerszym widmem słonecznym. W nich fotokomórki znajdują się wraz ze zmniejszaniem się przerwy energetycznej. Promienie słoneczne najpierw padają na fotokomórkę o najszerszej strefie, natomiast następuje absorpcja fotonów o największej energii.

Następnie fotony przepuszczane przez górną warstwę padają na kolejny element i tak dalej. W dziedzinie pierwiastków kaskadowych głównym kierunkiem badań jest wykorzystanie arsenku galu jako jednego lub kilku składników. Takie elementy mają sprawność konwersji 35%. Elementy są połączone w baterię, ponieważ możliwości techniczne nie pozwalają na wykonanie osobnego elementu o dużych rozmiarach (stąd moc).

Ogniwa słoneczne mogą działać przez długi czas.Sprawdziły się jako stabilne i niezawodne źródło energii, przetestowane w kosmosie, gdzie głównym zagrożeniem jest dla nich pył meteorytowy i promieniowanie, które prowadzą do erozji pierwiastków krzemowych. Ale ponieważ na Ziemi czynniki te nie mają na nie tak negatywnego wpływu, można założyć, że żywotność elementów będzie jeszcze dłuższa.

Panele słoneczne już służą człowiekowi, będąc źródłem zasilania różnych urządzeń, od telefonów komórkowych po pojazdy elektryczne.

A to już druga próba człowieka, by ograniczyć nieograniczoną energię słoneczną, zmuszając ją do pracy dla własnego dobra. Pierwszą próbą było stworzenie kolektorów słonecznych, w których energia elektryczna była wytwarzana poprzez podgrzewanie wody do wrzenia za pomocą skoncentrowanych promieni słonecznych.

Zaletą baterii słonecznych jest to, że bezpośrednio wytwarzają energię elektryczną, tracąc znacznie mniej energii niż kolektory słoneczne wielostopniowe, w których proces jej pozyskiwania wiąże się z koncentracją promieni słonecznych, podgrzewaniem wody, wytwarzaniem pary, która obraca turbinę parową , a dopiero potem generowanie prądu przez generator. Główne parametry paneli słonecznych – przede wszystkim moc

Wtedy ważne jest, ile mają energii

Ten parametr zależy od pojemności akumulatorów i ich liczby. Trzecim parametrem jest szczytowy pobór mocy, czyli ilość możliwych jednocześnie połączeń urządzeń. Kolejnym ważnym parametrem jest napięcie znamionowe, które decyduje o doborze wyposażenia dodatkowego: falownik, panel słoneczny, sterownik, akumulator.

Zalety i wady

Panele słoneczne, podobnie jak inne urządzenia, mają swoje wady i zalety. Do niewątpliwych zalet tych systemów należą:

• Możliwość autonomicznej pracy pozwala na zorganizowanie zasilania obiektów, urządzeń elektronicznych i oświetlenia, z dala od stacjonarnych sieci elektrycznych.
• Znaczne oszczędności kosztów podczas eksploatacji. Światło słoneczne zamieniające się w prąd nic nie kosztuje i nie wymaga dodatkowych kosztów. Płacisz tylko za falowniki i baterie, które wymagają okresowej wymiany. I nawet w tym przypadku panele słoneczne zwrócą się za około 10 lat przy średnim okresie gwarancji 25-30 lat. Jeśli będziesz przestrzegać wszystkich zasad działania, baterie mogą wytrzymać jeszcze dłużej.
• W porównaniu z konwencjonalnymi elektrowniami, które zużywają paliwo i zanieczyszczają środowisko, schemat działania paneli słonecznych jest przyjazny dla środowiska i cichy.

Jednak urządzenia te mają również poważne wady, które należy z góry wziąć pod uwagę we wstępnych obliczeniach:

• Wysoki koszt nie tylko paneli, ale również dodatkowych podzespołów - falowników, sterowników, akumulatorów.
• Zwrot trwa zbyt długo. Pieniądze są wycofywane z obiegu na długi czas.
• Systemy solarne z ogniwami fotowoltaicznymi wymagają dużo miejsca. Dość często do tych celów konieczne jest wykorzystanie nie tylko całego dachu, ale także ścian budynku, poważnie naruszając decyzje projektowe. Dodatkowa przestrzeń jest potrzebna dla akumulatorów o dużej pojemności, które w niektórych przypadkach mogą zająć całe pomieszczenie.
• Proces wytwarzania energii elektrycznej przebiega nierównomiernie w zależności od pory dnia. Wadę tę rekompensują akumulatory, które w ciągu dnia gromadzą energię elektryczną, a nocą oddają ją konsumentom.

Tranzystory jako podstawa lekkich elementów

Tranzystory nadają się do naszego celu, ponieważ w środku mają dość duży krzemowy element półprzewodnikowy, który posłuży do produkcji energii elektrycznej. Najlepiej zdecydować się na tranzystory takie jak KT lub P.

Rozpoczynamy pracę. Przede wszystkim odcinamy metalową osłonę od wymaganej liczby elementów radiowych. Łatwiej to zrobić, jeśli zaciśniesz tranzystor w imadle i ostrożnie przetniesz go piłą do metalu. Wewnątrz zobaczysz talerz. To główna część naszego przyszłego urządzenia. Będzie nam służyła jako fotokomórka.

Część będzie miała trzy styki: podstawę, emiter i kolektor. Podczas montażu należy wybrać złącze kolektora ze względu na największą różnicę potencjałów.

Montaż „zrób to sam” najlepiej wykonać na płaskiej powierzchni z dowolnego materiału dielektrycznego.

Tranzystory, których będziesz używać przy tworzeniu paneli słonecznych, warto sprawdzić przed pracą. Do tych celów bierzemy prosty multimetr. Konieczne jest przełączenie urządzenia w tryb pomiaru prądu, włączenie między bazą a kolektorem lub emiterem tranzystora. Usuwamy wskaźnik - zwykle urządzenie pokazuje niewielki prąd - ułamki miliampera, rzadziej trochę więcej niż 1 mA.Następnie przełączamy urządzenie w tryb pomiaru napięcia (limit 1-3 V) i otrzymujemy wartość napięcia wyjściowego (będzie to około kilku dziesiątych wolta). Pożądane jest grupowanie tranzystorów o zbliżonych wartościach napięć wyjściowych.

Montowanie

Panele słoneczne montowane są na specjalnej konstrukcji, której połączenie decyduje o zdolności fotokomórek do wytrzymania wszelkich niekorzystnych warunków atmosferycznych, takich jak silny wiatr, deszcz czy śnieg, a także przyczynia się do wytworzenia odpowiedniego kąta nachylenia.

Ten wzór jest dostępny w sprzedaży w następujących wersjach:

• pochylony - takie systemy są optymalne do montażu na spadzistym dachu;
• poziomy - ten projekt jest przymocowany do płaskich dachów;
• wolnostojące – akumulatory tego typu można montować na dachach różnego typu i wielkości.

Rzeczywisty proces instalowania baterii odbywa się według następującego schematu:

do mocowania ramy panelu wymagane są kwadraty metalowe o wymiarach 50x50 mm, dodatkowo wymagane są kwadraty 25x25 mm, które stosuje się do belek dystansowych

Obecność tych części umożliwia osiągnięcie wymaganej wytrzymałości i niezawodnej stabilności konstrukcji nośnej, a także zapewnia wymagany stopień nachylenia;
musisz zmontować ramę, do tego potrzebne są śruby o rozmiarze 6 i 8 m;
konstrukcja mocowana jest pod pokryciem za pomocą kołków 12 mm;
w przygotowanych kwadratach powstają małe otwory, w których mocuje się panele, a dla mocniejszego klejenia należy użyć wkrętów;
podczas prac instalacyjnych należy zwrócić szczególną uwagę na ramę - nie powinno być w niej żadnych zniekształceń.W przeciwnym razie może dojść do przepięcia systemu, które doprowadzi do pęknięcia szkła.

Na podobnym schemacie odbywa się montaż solarnych źródeł ciepła i światła na loggii lub balkonie. Jedynym wyjątkiem jest to, że rama jest zamontowana na pochyłej płaszczyźnie. Montowana jest pomiędzy główną ścianą nośną budynku a końcem budynku, zawsze po słonecznej stronie. Samodzielny montaż i instalacja paneli fotowoltaicznych wszystkich typów nie wymaga doświadczenia w pracach budowlanych, jednak pewne umiejętności montażowe nadal będą wymagane. Jeśli chcesz, możesz bezpiecznie wykonać instalację samodzielnie, jednak wcześniej dobrze byłoby przeczytać specjalną literaturę na temat funkcji instalowania palet i przestudiować lekcje mistrzowskie dostępne w Internecie i oczywiście zaopatrzyć się w niezbędne narzędzia.

Zalety pracy własnymi rękami są oczywiste - to oszczędność dużych pieniędzy na usługach specjalistów, a także ogromne doświadczenie, które może być potrzebne w przyszłości. Jednocześnie, jeśli zdolności osobiste nie wystarczą, można nie tylko stracić czas, ale także spowodować pękanie paneli lub ich niską wydajność.

Osobliwości

Obecnie najszerzej stosowane są baterie oparte na polikryształach fotowoltaicznych. Takie modele wyróżniają się optymalnym połączeniem kosztów i ilości uwalnianej energii, charakteryzują się bogatym niebieskim kolorem oraz krystaliczną strukturą głównych elementów. Są bardzo łatwe w montażu, ponieważ nawet mistrz bez dużego doświadczenia zawodowego poradzi sobie z ich instalacją w swoim prywatnym domu i letnim domku. Drugim pod względem popularności są panele fotowoltaiczne monokrystaliczne.

Ogniwa słoneczne wykonane z amorficznego krzemu charakteryzują się dość niską wydajnością. Jednak ich ceny są nieco niższe niż koszt analogów, więc model jest poszukiwany wśród właścicieli domów wiejskich. Obecnie takie produkty stanowią 85% rynku. Nie mogą pochwalić się dużą mocą i modyfikacjami z tellurku kadmu, ich produkcja oparta jest na nowoczesnej technice folii: kilkaset mikrometrów substancji nakłada się cienką warstwą na trwałą powierzchnię. Na uwagę zasługuje fakt, że przy bardzo niskim poziomie wydajności produktu jego moc jest dość wysoka.

Inną opcją dla akumulatorów zasilanych energią słoneczną są odmiany oparte na półprzewodnikach CIGS. Podobnie jak poprzednia wersja produkowane są w technologii folii, jednak ich wydajność jest znacznie wyższa. Osobno warto zastanowić się nad mechanizmem działania źródeł ciepła słonecznego i światła. Najważniejsze jest, aby wyraźnie zdać sobie sprawę, że całkowita ilość wytwarzanej energii nie może w żaden sposób zależeć od stopnia sprawności samego urządzenia, ponieważ zwykle wszystkie typy takich urządzeń zapewniają w przybliżeniu identyczną moc. Główna różnica polega na tym, że panele o maksymalnej wydajności wymagają mniej miejsca na ich instalację.

Panele słoneczne mają następujące zalety:

• przyjazność dla środowiska instalacji;
• długi okres użytkowania, podczas którego cechy użytkowe paneli pozostają niezmiennie wysokie;
• technologie rzadko się psują, dzięki czemu nie wymagają serwisu i konserwacji, a także kosztownych napraw;
• zastosowanie baterii opartych na energii słonecznej pozwala obniżyć koszty energii elektrycznej i gazu w domu;
• panele słoneczne są wyjątkowo łatwe w użyciu.

Nie obyło się jednak również bez wad, wśród najważniejszych można wymienić:

• panele wysokiej sceny;
• konieczność instalowania różnego rodzaju dodatkowych urządzeń w celu efektywnej synchronizacji energii otrzymywanej z baterii i tej pozyskiwanej z tradycyjnych źródeł;
• panele nie mogą być używane w kontakcie z takimi urządzeniami, które wymagają dużych mocy.

9. Cechy ogniw słonecznych z kropkami kwantowymi

Ostatni obiecujący typ baterii w niedalekiej przyszłości zbudowany jest na właściwościach fizycznych kropek kwantowych – mikroskopijnych wtrąceniach półprzewodników w konkretnym materiale. Geometrycznie te „kropki” mają wielkość kilku nanometrów i są rozmieszczone w materiale tak, aby pokryć absorpcję promieniowania z całego spektrum słonecznego – IR, światła widzialnego i UV.

Ogromną zaletą takich paneli jest możliwość pracy nawet w nocy, generując około 40% maksymalnej mocy dziennej.

Właściwości fizyczne i techniczne, certyfikacja i oznakowanie

Niezależnie od tego, z czego wykonane są panele słoneczne, każdy z nich posiada szereg następujących ważnych cech:

• mechaniczny – parametry geometryczne, masa całkowita, rodzaj ramki, szyba ochronna, liczba ogniw, rodzaj i szerokość łączników;
• elektryczne lub woltamperowe - moc, napięcie jałowe, natężenie prądu przy maksymalnym obciążeniu, sprawność panelu jako całości, aw szczególności poszczególnych ogniw;
• temperatura - zmiana wydajności wraz ze wzrostem temperatury o określoną jednostkę wielkości (zwykle - 1 stopień);
• jakość – żywotność, szybkość degradacji ogniw, obecność na listach rankingowych Bloomberga;
• funkcjonalny - potrzeba i łatwość pielęgnacji, łatwość montażu/demontażu.

Przemysłowe panele słoneczne, bez względu na to, z jakich materiałów są wykonane, muszą być certyfikowane. Minimalne wymagania to certyfikaty jakości ISO, CE, TUV (międzynarodowe) i/lub Unia Celna (w przypadku sprzedaży w jej ramach).

Obowiązkowe są również międzynarodowe przepisy dotyczące etykietowania. Na przykład, skrót CHN-350M-72 zawiera następujące informacje:

• CHN - identyfikator producenta (w tym przypadku chiński ChinaLand);
• 350 – moc panelu w watach;
• M – oznaczenie krzemu monokrystalicznego;
• 72 to liczba ogniw fotowoltaicznych w module.

Co możesz zrobić panelami słonecznymi własnymi rękami w domu?

Wymaga to:

Wstępnie narysowany schemat i obliczenia.
Pewna ilość prefabrykowanych ogniw słonecznych – najtaniej kupić je online np. na stronie Aliexpress lub w innych sklepach internetowych

Zwróć uwagę na to, że wszystkie elementy mają te same parametry elektryczne. Domowa rama wykonana z drewna i sklejki - zasady jej montażu można obejrzeć na licznych filmach w sieci

Pleksiglas lub pleksiglas do zabezpieczania powierzchni.
Farba i klej żaroodporny do obróbki powierzchni drewnianych.
Listwy stykowe i przewody do łączenia ogniw. Schematy różnych metod połączeń można również przestudiować w Internecie.
Lutownica i lut. Prace lutownicze należy wykonywać bardzo ostrożnie, aby nie zepsuć przyszłego produktu.
Klej silikonowy i wkręty samogwintujące do mocowania prefabrykowanej baterii w ramie.

Mała bateria będzie wymagała inwestycji około 30-50 USD, podczas gdy wersja fabryczna o tej samej pojemności będzie kosztować tylko 10-20% więcej.

Oczywiście taki domowy projekt nie przetrwa 25 lat, nie będzie miał mocy pełnoprawnej elektrowni słonecznej i nie będzie mógł pochwalić się znaczną wydajnością. Jednak jego koszt będzie jak najmniejszy.

Urządzenie na baterie słoneczne

Aby bateria słoneczna była w stanie zamienić światło słoneczne na prąd, niezbędne są następujące elementy:

1. Warstwa fotowoltaiczna pełniąca rolę półprzewodnika. Jest reprezentowany przez dwie warstwy materiałów o różnej przewodności. Tutaj elektrony mogą przemieszczać się z obszaru p (+) do obszaru n (-). Nazywa się to połączeniem p-n;
2. Element jest umieszczony pomiędzy dwiema warstwami półprzewodników, co zasadniczo stanowi barierę dla przejścia elektronów;
3. Źródło mocy. Konieczne jest połączenie z elementem, który zapobiega przenoszeniu elektronów. Przekształca ruch naładowanych elektronów, tj. wytwarza prąd elektryczny. Bateria akumulatora. Gromadzi i przechowuje energię;
4. kontroler ładowania. Jego główną funkcją jest podłączanie i odłączanie baterii słonecznej w zależności od poziomu naładowania. Bardziej wyrafinowane urządzenia są w stanie kontrolować maksymalny poziom mocy;
5. konwerter DC na AC (inwerter);
6. Stabilizator napięcia.Zapewnia ochronę systemu baterii słonecznych przed przepięciami.