Как работят слънчевите панели: как са проектирани и функционират слънчевите панели

Воден часовник

Този метод на ротационно управление е изобретен от предприемчив канадски студент на години и е отговорен за въртенето само на една ос - хоризонталната.

Принципът на действие също е прост и се състои в следното:

1. Слънчевата клетка се поставя в първоначалното си положение, когато слънчевите лъчи попаднат перпендикулярно върху фотоклетката.
2. След това от едната страна се закрепва съд с вода, а от другата страна се закрепва предмет със същото тегло като съда с вода. На дъното на контейнера трябва да има малък отвор.
3. Водата бавно изтича от контейнера, като по този начин намалява теглото и позволява на панела да се наклони към противотежестта. Размерът на отвора за съда ще трябва да се определи експериментално.

Този метод е най-лесен. Освен това се спестяват средства, които биха били изразходвани за закупуване на двигател, както в случая с часовниковия механизъм. Освен това можете сами да монтирате механизма за въртене на водния часовник, дори без да имате специализирани познания.

Предимства на слънчевите панели

Слънчевата енергия е перспективна област, която непрекъснато се развива. Те имат няколко основни предимства. Лесна употреба, дълъг живот, безопасност и достъпна цена.

Положителни аспекти на използването на този тип батерии:

• Възобновяемост - този източник на енергия е почти неограничен и безплатен. Поне през следващите 6,5 милиарда години. Трябва само да вземете оборудването, да го инсталирате и да го използвате по предназначение (в частна къща или вила).
• Изобилие - Земната повърхност получава средно около 120 хиляди теравата енергия, което е 20 пъти повече от сегашното потребление на енергия. Слънчевите панели за вили или частни домове имат огромен потенциал за използване.
• Постоянство - слънчевата енергия е постоянна, така че човечеството не е изложено на риск от превишаване на допустимите стойности по време на нейното използване.
• Достъпност - слънчевата енергия може да се произвежда на всяко място, стига да има естествена светлина. Най-често се използва за отопление на дома.
• Щадяща околната среда - слънчевата енергия е обещаващ отрасъл, който в бъдеще ще замени електроцентралите, базирани на невъзобновяеми ресурси: газ, торф, въглища и нефт. Безопасен за здравето на хората и домашните любимци.

• Няма значителни емисии на вредни или токсични вещества в атмосферата по време на производството и монтажа на панелите на слънчевите електроцентрали.
• Безшумно - производството на електроенергия е почти безшумно, поради което този тип електроцентрали превъзхождат вятърните. Постоянното бръмчене води до бърза повреда на оборудването, а служителите трябва да правят чести почивки.
• Икономичност - когато използват слънчеви панели, собствениците на имоти значително намаляват сметките си за енергия. Панелите имат дълъг експлоатационен живот - производителят дава гаранция за 20 до 25 години. Обслужването на цялата електроцентрала се свежда до периодично (веднъж на 5-6 месеца) почистване на повърхностите на панелите от мръсотия и прах.

Принцип на работа на слънчевия панел

В резултат на преливането на заряди на границата на p- и n-слоя в n-слоя се образува зона на некомпенсиран положителен заряд, а в p-слоя - на отрицателен заряд, т.е. p-n преход, познат на всички от училищния курс по физика. Потенциалната разлика, която възниква от потенциалната разлика на контакта на прехода (потенциална бариера), предотвратява преминаването на електрони от p-слоя, но свободно позволява преминаването на небазови носители в обратна посока, което позволява да се получи фотоелектрическа енергия, когато слънчевата светлина попада върху PEC.

При облъчване със слънчева светлина абсорбираните фотони започват да генерират неравновесни двойки електрон-дупка. От друга страна, електроните, генерирани в близост до прехода, преминават от p-слоя към n-слоя.

Излишните дупки от n-слоя също навлизат в p-слоя по подобен начин (фигура а). Оказва се, че в p-слоя се натрупва положителен заряд, а в n-слоя - отрицателен, което предизвиква напрежение във външната верига (фигура б). Източникът на ток има два полюса: положителен p-слой и отрицателен n-слой.

Това е основният принцип на слънчевите клетки. По този начин електроните сякаш се движат в кръг, т.е. те напускат p-слоя и се връщат в n-слоя, преминавайки през товара (акумулатора).

Фотоелектрическият поток в клетка с едно съединение се осигурява само от онези електрони, които имат енергия, по-висока от ширината на някаква забранена зона. Тези с по-малко енергия не участват в този процес. Това ограничение може да бъде премахнато чрез многослойни структури, състоящи се от повече от един SE, в които ширина на лентовата междина различни ширини. Те се наричат каскадни, мултифункционални или тандемни структури. Фотоволтаичната им конверсия е по-висока поради факта, че такива SE работят с по-широк слънчев спектър. Фотоволтаичните клетки са разположени така, че ширината на лентовата междина намалява. Слънчевите лъчи попадат първо върху фотоелемента с най-широката лента, като поглъщат фотоните с най-висока енергия.

След това фотоните, пропуснати от горния слой, попадат в следващия елемент и т.н. В областта на каскадните клетки основният фокус на изследванията е използването на галиев арсенид като един или повече компоненти. Тези клетки имат ефективност на преобразуване от 35 %. Клетките се свързват в батерия, тъй като техническите възможности не позволяват производството на единична клетка с голям размер (оттам и мощност).

Слънчевите клетки могат да работят дълго време. Доказано е, че те са стабилен и надежден източник на енергия, като са били тествани в космоса, където основните им опасности са метеоритен прах и радиация, които разрушават силициевите клетки. Но тъй като тези фактори не им влияят толкова негативно на Земята, може да се предположи, че те ще издържат още по-дълго.

Слънчевите клетки вече са в услуга на хората, като осигуряват енергия за различни устройства - от мобилни телефони до електрически автомобили.

И това е вторият опит на човека да използва безграничната сила на слънцето и да я накара да работи в негова полза. Първият опит е създаването на слънчеви колектори, в които електричеството се генерира чрез нагряване на вода до точката на кипене с помощта на концентрирана слънчева светлина.

Предимството на слънчевите панели е, че те произвеждат електроенергия директно, като губят много по-малко енергия от многостепенните слънчеви колектори, при които процесът на производство включва концентриране на слънчевите лъчи, загряване на водата, отделяне на пара, която завърта парна турбина, и едва след това генериране на електроенергия. Основните параметри на слънчевите панели - на първо място мощността

Тогава е важно колко енергия имат

Този параметър зависи от капацитета на батериите и техния брой. Третият параметър е пиковото потребление на енергия, което означава броя на възможните едновременни връзки на устройствата. Друг важен параметър е номиналното напрежение, което определя избора на допълнително оборудване: инвертор, соларен панел, контролер, батерия.

Предимства и недостатъци

Слънчевите панели, както и други устройства, имат своите предимства и недостатъци. Безспорните предимства на тези системи са следните:

• Възможността за автономна работа дава възможност за захранване на обекти, електронни устройства и осветление, отдалечени от стационарни електрически мрежи на значителни разстояния.
• Значителна икономия на средства в процеса на работа. Превръщането на слънчевата светлина в електричество не струва нищо и не изисква допълнителни разходи. Единствените разходи са за инверторите и батериите, които трябва да се подменят периодично. Въпреки това слънчевите панели се изплащат за около 10 години, а средният гаранционен срок е 25-30 години. Батериите могат да издържат още по-дълго, ако се спазват всички правила за работа.
• В сравнение с конвенционалните електроцентрали, които консумират гориво и замърсяват околната среда, слънчевите панели са екологични и безшумни.

Тези устройства обаче имат и сериозни недостатъци, които трябва да се вземат предвид при предварителните изчисления:

• Високата цена не само на панелите, но и на допълнителните компоненти - инвертори, контролери, батерии.
• Възмездието отнема твърде много време. Парите се изтеглят от обращение за дълъг период от време.
• Соларните системи с фотоволтаични клетки изискват много място. Много често за тази цел трябва да се използва не само целият покрив, но и стените на сградата, което сериозно нарушава дизайнерските решения. За батериите с голям капацитет, които в някои случаи могат да заемат цяла стая, е необходимо допълнително пространство.
• Производството на електроенергия не е равномерно разпределено в зависимост от времето на денонощието. Този недостатък се компенсира от батерии, които съхраняват електроенергия през деня и я връщат на потребителите през нощта.

Транзисторите като основа за осветителни елементи

Транзисторите са подходящи за нашата цел, тъй като в тях има доста голям силициев полупроводников елемент, който ще се използва за производство на електроенергия. Най-добре е да изберете транзистор тип CT или P.

Да започнем. Преди всичко отрежете металния капак от необходимия брой радиокомпоненти. По-лесно е да направите това, ако затегнете транзистора във визия и направите внимателно разреза с ножовка за метал. Вътре ще видите чиния. Това е основната част на бъдещото ни устройство. Той ще ни служи като фотоклетка.

Детайлът ще има три контакта: база, емитер и колектор. Когато сглобявате, изберете колекторното съединение с най-висока потенциална разлика.

Най-добре е да сглобявате сами върху равна повърхност от диелектричен материал.

Преди да започнете работа, трябва да тествате транзисторите, които възнамерявате да използвате за своите слънчеви панели. За тази цел трябва да се използва обикновен мултиметър. Трябва да превключите измервателния уред в режим на измерване на ток и да го включите между базата и колектора или емитера на транзистора. Извършете отчитане - обикновено уредът показва малък ток - части от милиампера, по-рядко малко над 1 mA. След това превключете устройството в режим на измерване на напрежение (граница 1-3 V) и получете стойността на изходното напрежение (тя ще бъде от порядъка на няколко десети от волта). За предпочитане е да се групират транзистори със сходни изходни напрежения.

Монтаж

Слънчевите панели се монтират върху специална конструкция, връзката с която е проектирана така, че фотоволтаичните клетки да издържат на всякакви неблагоприятни атмосферни условия като силен вятър, дъжд или сняг и да образуват правилен ъгъл на наклона.

Този дизайн се предлага в следните варианти:

• наклонени - тези системи са оптимални за монтаж на наклонени покриви;
• хоризонтална - тази конструкция се монтира върху плоски покриви;
• свободно стоящи - този тип батерии могат да се монтират на различни видове и размери покриви.

Действителният процес на инсталиране се извършва съгласно следната схема:

За закрепване на рамката на панела са необходими метални скоби с размери 50x50 mm и скоби с размери 25x25 mm, използвани за дистанционните планки.

Наличието на тези части дава възможност да се постигне необходимата здравина и стабилност на носещата конструкция и да се осигури необходимата степен на наклон;
рамката трябва да се сглоби; за целта са необходими болтове с диаметър 6 и 8 мм;
закрепете конструкцията под покривното покритие с 12-милиметрови шпилки;
в подготвените скоби се правят малки отвори и панелите се закрепват в тях; за по-здрава връзка трябва да се използват винтове;
По време на монтажните работи трябва да се обърне специално внимание на рамката, тъй като тя не трябва да се изкривява по никакъв начин. В противен случай претоварването на системата може да доведе до напукване на стъклата.

Монтирането на слънчеви източници на топлина и светлина на лоджия или балкон следва подобен модел. Единственото изключение е, че рамката е монтирана върху наклонена равнина. Монтира се между основната носеща стена на сградата и края на сградата, винаги откъм слънчевата страна. Всички видове соларни панели не изискват никакъв строителен опит, за да се сглобят и инсталират, но все пак ще са необходими някои умения за монтаж. Ако искате, можете спокойно да ги монтирате сами, но преди това би било добре да прочетете специална литература за особеностите на монтажа на слънчеви панели и да научите майсторските класове, които са достъпни в интернет, и, разбира се, да разполагате с необходимите инструменти.

Плюсовете на работата със собствените си ръце са очевидни - тя спестява много пари за услугите на професионалисти, както и огромен опит, който може да се наложи в бъдеще. В същото време, ако личните умения не са достатъчни, е възможно не само да се загуби време, но и да се стигне до счупване или неефективност на панелите.

Характеристики

Фотоволтаичните поликристални батерии са най-разпространените в наши дни. Тези модели предлагат най-добрата комбинация от цена и енергийна мощност и се характеризират с тъмносиньо оцветяване и кристална структура на основните елементи. Те се монтират много лесно, тъй като дори необучени майстори могат да се справят с монтажа им в собствената си къща или вила. Монокристалните фотоволтаични панели са втори по популярност.

Слънчевите панели, изработени от аморфен силиций, имат доста ниска ефективност. Цените им обаче са малко по-ниски от тези на аналозите им, така че моделът е търсен от собствениците на селски къщи. В момента тези продукти представляват 85% от пазара. Те не могат да се похвалят с висока мощност и модификации от кадмиев телурид, базирани на високотехнологична филмова техника: няколкостотин микрометра от веществото се нанасят на тънък слой върху твърда повърхност. Забележително е, че макар ефективността на продукта да е много ниска, неговата мощност е доста висока.

Друг вариант на батерията, захранвана от слънчева енергия, е вариантът, базиран на полупроводници CIGS. Подобно на предишния вариант, те се произвеждат по филмова технология, но индексът им на ефективност е много по-висок. Заслужава да се подчертае начинът, по който работят слънчевите източници на топлина и светлина. Важно е да се разбере, че общото количество генерирана енергия не може да се свърже с ефективността на самото устройство, тъй като обикновено всички видове устройства произвеждат приблизително еднаква мощност. Основната разлика е само в това, че панелите, които имат най-висока ефективност, изискват по-малко място за монтаж.

Слънчевите панели имат следните предимства:

• екологосъобразен монтаж;
• дълъг период на употреба, през който производителността на панелите остава постоянно висока;
• Технологията рядко се поврежда, така че не е необходимо да се обслужва, поддържа или ремонтира с високи разходи;
• използването на соларни панели спомага за намаляване на разходите за електричество и газ в дома;
• слънчевите панели са изключително лесни за използване.

Това обаче не минава без недостатъци, най-важните от които са следните

• Висшият етап на панелите;
• необходимостта от инсталиране на разнообразно допълнително оборудване за ефективно синхронизиране на енергията от батерията с тази от традиционните източници;
• панелите не могат да се използват в контакт с уреди, които изискват висока мощност.

9. Характеристики на слънчеви клетки с квантови точки

Последният обещаващ вид батерии на близкото бъдеще се основава на свойствата на физическите квантови точки - микроскопични включвания на полупроводници в определен материал. Геометрично тези "точки" са с размер от няколко нанометра и могат да бъдат разпределени в материала, за да абсорбират радиация от целия слънчев спектър - инфрачервена, видима и ултравиолетова светлина.

Огромно предимство на тези панели е способността им да работят дори през нощта, като генерират около 40% от максималната дневна мощност.

Физически и технически характеристики, сертифициране и етикетиране

Независимо от това от какво са направени слънчевите панели, всеки от тях има редица важни характеристики, както следва

• механичен - геометрични параметри, общо тегло, вид на рамката, защитно стъкло, брой клетки, вид и ширина на съединителите;
• електрически или волтампер - Мощност, напрежение на празен ход, ток при максимално натоварване, ефективност на панела като цяло и на отделните клетки в частност
• температура - Промяната в ефективността при повишаване на температурата с определена единица (обикновено 1 градус);
• качествен - експлоатационен живот, степен на разграждане на клетките, присъствие в списъците с рейтинги на Bloomberg;
• функционален - необходимост и лекота на поддръжката, лекота на монтажа/демонтажа.

Промишлените слънчеви панели, независимо от материалите, от които са изработени, винаги трябва да бъдат сертифицирани. Минималните изисквания са сертификати за качество ISO, CE, TUV (международни) и/или сертификати за качество на Митническия съюз (ако се продават в него).

Международните правила за етикетиране също са задължителни. Например, съкращение CHN-350M-72 съдържа следната информация:

• CHN - Идентификация на производителя (в този случай China China ChinaLand);
• 350 - Мощността на панела във ватове;
• M - наименование на монокристалния силиций;
• 72 - Брой на фотоволтаичните клетки в модула.

Какво можете да направите от слънчевите панели със собствените си ръце у дома

Изисква се следното:

Предварително начертана схема и извършени изчисления.
Определен брой фабрично произведени слънчеви клетки - най-евтино е да ги купите онлайн, например в Aliexpress или други онлайн магазини

Уверете се, че всички клетки имат еднакви електрически характеристики. Домашно направена рамка от дървен материал и шперплат - вижте множество видеоклипове в интернет за правилата за сглобяване

Плексиглас или плексиглас за защита на повърхността.
Боя и термоустойчиво лепило за дървени покрития.
Контактни ленти и проводници за свързване на клетките. Схеми на различните методи за свързване могат да бъдат намерени и в интернет.
Поялник и спойка. Запояването трябва да се извършва много внимателно, за да не се развали бъдещият ви продукт.
Силиконово лепило и самонарезни винтове за закрепване на сглобяемата батерия към рамката.

Малка батерия ще изисква инвестиция от около 30-50 долара, докато фабричната версия с подобен капацитет ще струва само 10-20% повече.

Разбира се, такава самоделна конструкция няма да издържи 25 години, няма да има капацитета на пълна слънчева електроцентрала и няма да може да се похвали със значителна ефективност. Въпреки това разходите ще бъдат възможно най-ниски.

Конструкция на слънчев панел

За да може един слънчев панел да преобразува слънчевата светлина в ток, са необходими следните елементи:

1. Фотоволтаичният слой, който действа като полупроводник. Представлява два слоя от материали с различна проводимост. Тук електроните могат да се движат от p(+) областта към n(-) областта. Това се нарича p-n преход;
2. Между двата слоя полупроводници се поставя елемент, който по същество представлява бариера за прехода на електроните;
3. Захранване. Необходимо е да се свърже с елемент, който предотвратява прехода на електрони. Той преобразува движението на заредени електрони, т.е. създава електрически ток. Акумулаторна батерия. Съхранява и съхранява енергия;
4. Контролер за зареждане. Основната му функция е да свързва и изключва соларния панел в зависимост от нивото на зареждане. По-сложните устройства могат да контролират максималното ниво на мощност;
5. Преобразувател на постоянен ток в променлив (инвертор);
6. Устройство за стабилизиране на напрежението. Предпазва слънчевата система от пренапрежения.