Πώς λειτουργούν οι ηλιακοί συλλέκτες

Η δομή του ηλιακού συλλέκτη και η αρχή της λειτουργίας του εξαρτώνται από τα υλικά και την τεχνολογία από τα οποία κατασκευάζεται. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να κατανοήσετε τα χαρακτηριστικά των κύριων επιλογών για να καταλάβετε ποιες είναι οι διαφορές τους και να επιλέξετε την κατάλληλη λύση για χρήση. Όλα τα δεδομένα αφορούν ποιοτικά προϊόντα, οι φθηνές μπαταρίες μπορεί να μην πληρούν τις αναφερόμενες παραμέτρους, καθώς συχνά κατασκευάζονται με παρατυπίες στην τεχνολογία.

Τυπικός σχεδιασμός ενός άκαμπτου ηλιακού συλλέκτη.

Ορολογία

Οι κυριότεροι όροι που χρησιμοποιούνται στον τομέα αυτό είναι:

1. Ηλιακή ενέργεια - ηλεκτρική ενέργεια που λαμβάνεται από τον ήλιο όταν χρησιμοποιούνται πάνελ.
2. Η ηλιακή ακτινοβολία - δείχνει πόση ηλιακή ακτινοβολία λαμβάνεται ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας κάθετα στις ακτίνες.
3. Φωτοβολταϊκά στοιχεία - μονάδες ικανές να μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Συνήθως παράγουν 1 έως 2 Watt ενέργειας, αλλά διατίθενται εκδόσεις υψηλότερης απόδοσης.
4. Φωτοβολταϊκό σύστημα - ένα σύνολο εξοπλισμού που μετατρέπει το φως του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια.
5. Οι ηλιακές κυψέλες ή πάνελ είναι μια ομάδα φωτοβολταϊκών κυψελών ομαδοποιημένων σε μια μεγάλη μονάδα και συνδεδεμένων σε σειρά ή σε σειρά-παράλληλα. Τυπικά, μια μπαταρία περιέχει 36 έως 40 τμήματα.
6. Συστοιχία - πολλοί ηλιακοί συλλέκτες συνδεδεμένοι για να αποκτήσουν την απαιτούμενη ποσότητα ρεύματος.
7. Μονάδες με πλαίσιο - κατασκευές σε πλαίσιο αλουμινίου που είναι ανθεκτικές και αεροστεγείς.
8. Στοιχεία χωρίς πλαίσιο - εύκαμπτες εκδόσεις, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές με χαμηλότερα φορτία.
9. Κιλοβατώρα (kW) - τυποποιημένη μέτρηση της ηλεκτρικής ισχύος.
10. Αποδοτικότητα (efficiency) - των ηλιακών συλλεκτών. Δείχνει πόσο από την ενέργεια του ήλιου που προσπίπτει στην επιφάνεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Συνήθως το ποσοστό είναι 15-24%.
11. Υποβάθμιση - μείωση της χωρητικότητας των ηλιακών κυττάρων που οφείλεται σε φυσικά αίτια. Μετράται ως ποσοστό των αρχικών τιμών.
12. Τα φορτία αιχμής είναι οι ώρες κατά τις οποίες απαιτείται η μεγαλύτερη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
13. Το κρυσταλλικό πυρίτιο είναι η πρώτη ύλη για τους ηλιακούς συλλέκτες. Η πιο συνηθισμένη και μακροχρόνια επιλογή σήμερα.
14. Άμορφο πυρίτιο - σύνθεση που εφαρμόζεται στην επιφάνεια με εξάτμιση και σφραγίζεται με προστατευτική επίστρωση.
15. Ημιαγωγοί - ουσίες που μπορούν να διεξάγουν ρεύμα υπό ορισμένες συνθήκες. Αυτό περιλαμβάνει τα περισσότερα από τα νέα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ηλιακών κυψελών.
16. Μετατροπέας - μια συσκευή που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο ρεύμα.
17. Ελεγκτής - ρυθμίζει την τάση εξόδου από τις ηλιακές μονάδες για τη σωστή φόρτιση των μπαταριών.

Χάρτης της ηλιακής ακτινοβολίας στη Ρωσία.

Αυτοί είναι μόνο οι πιο συνηθισμένοι όροι, υπάρχουν και άλλες επιλογές. Αλλά ακόμη και η γνώση των βασικών στοιχείων θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε το θέμα πολύ καλύτερα.

Κατηγορίες ποιότητας

Για να αξιολογήσετε την ποιότητα ενός ηλιακού συλλέκτη, το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνετε είναι να μάθετε την ποιότητα της πρώτης ύλης που χρησιμοποιείται για την παραγωγή των φωτοβολταϊκών κυττάρων. Αυτό καθορίζει την αποδοτικότητα και τη διάρκεια ζωής του τελικού προϊόντος. Υπάρχουν τέσσερις κύριες κατηγορίες:

1. Βαθμός Α - Η καλύτερη ποιότητα, η οποία είναι απαλλαγμένη από τυχόν φθορές και ρωγμές. Η ομοιογένεια της πλήρωσης και η ομαλότητα της επιφάνειας εγγυώνται υψηλές επιδόσεις, οι οποίες συχνά είναι ακόμη υψηλότερες από αυτές που αναφέρονται στα έγγραφα. Επιπλέον, αυτή η παραλλαγή έχει το χαμηλότερο ποσοστό υποβάθμισης και διατηρεί καλά χαρακτηριστικά για μεγάλο χρονικό διάστημα.
2. Βαθμός Β είναι ελαφρώς χαμηλότερης ποιότητας και μπορεί να έχει επιφανειακές ατέλειες. Ωστόσο, χρησιμοποιείται συχνά για την παραγωγή ενός προϊόντος συγκρίσιμου σε απόδοση με την κατηγορία Α. Ο συντελεστής αποικοδόμησης είναι πολύ χαμηλότερος και, ως εκ τούτου, χάνει τα αρχικά του χαρακτηριστικά ταχύτερα.
3. Βαθμός C - μια επιλογή στην οποία μπορεί να υπάρχουν αρκετά σοβαρά ελαττώματα, από ρωγμές έως τσιπς και άλλες ζημιές. Αυτές οι μονάδες είναι πολύ φθηνότερες σε τιμή, αλλά και η απόδοσή τους δεν είναι ποτέ πάνω από 15%. Μια φθηνή λύση που είναι κατάλληλη για μικρά φορτία.
4. Βαθμός D - Βασικά πρόκειται για απόβλητα που περισσεύουν από την κατασκευή φωτοβολταϊκών κυψελών και δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μπαταριών. Αλλά πολλοί όχι και τόσο έντιμοι κατασκευαστές, ιδίως από την Ασία, τα χρησιμοποιούν στην παραγωγή. Η απόδοση αυτής της επιλογής είναι εξαιρετικά χαμηλή.

Είναι προτιμότερο να επιλέξετε την πρώτη επιλογή, αλλά σε περίπτωση ανάγκης αρκεί και η δεύτερη. Μόνο αυτά θα είναι σε θέση να παρέχουν κανονική απόδοση και θα διαρκέσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Η προστατευτική μεμβράνη στους ηλιακούς συλλέκτες πρέπει επίσης να είναι υψηλής ποιότητας.

Το υλικό πλαστικοποίησης EVA είναι μια ειδική μεμβράνη που τοποθετείται στην μπροστινή πλευρά και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην πίσω πλευρά. Ο κύριος σκοπός είναι η προστασία των στοιχείων λειτουργίας από δυσμενείς επιδράσεις χωρίς να παρεμποδίζεται το ηλιακό φως. Οι υψηλής ποιότητας εκδόσεις διαρκούν περίπου 25 χρόνια, ενώ οι χαμηλής ποιότητας 5 έως 10 χρόνια. Είναι αδύνατο να καθορίσετε ένα είδος με το μάτι, γι' αυτό είναι ευκολότερο να κρίνετε από την τιμή - οι παραλλαγές υψηλής ποιότητας δεν θα έχουν χαμηλές τιμές.

Στο βίντεο εξηγείται γραφικά το ηλεκτρικό ρεύμα στο παράδειγμα της έκθεσης στο ηλιακό φως.

Πώς λειτουργεί

Η εξήγηση του τρόπου λειτουργίας ενός ηλιακού συλλέκτη είναι δύσκολη, αλλά μπορούν να διατυπωθούν ορισμένα γενικά σημεία:

1. Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει στα φωτοβολταϊκά στοιχεία, αρχίζουν να σχηματίζονται εκεί ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών μη ισορροπίας.
2. Η περίσσεια ηλεκτρονίων τα αναγκάζει να μετακινηθούν προς το κατώτερο στρώμα του ημιαγωγού.
3. Δημιουργείται τάση στο εξωτερικό κύκλωμα. Ο θετικός πόλος εμφανίζεται στην επαφή του στρώματος p και ο αρνητικός πόλος εμφανίζεται στην επαφή του στρώματος n.
4. Εάν μια μπαταρία συνδεθεί με τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, δημιουργείται ένας φαύλος κύκλος και τα συνεχώς κινούμενα ηλεκτρόνια παρέχουν σταδιακή φόρτιση στην μπαταρία.
5. Οι συμβατικές μονάδες πυριτίου είναι κυψέλες μονής μετάβασης που μπορούν να παράγουν ενέργεια μόνο από ένα συγκεκριμένο φάσμα του ηλιακού φωτός. Εξαιτίας αυτού, η απόδοση του εξοπλισμού είναι χαμηλή.
6. Για την επίλυση του προβλήματος, οι κατασκευαστές έχουν αναπτύξει εκδόσεις καταρράκτη- μπορούν να αντλούν ενέργεια από διαφορετικές ακτίνες του ηλιακού φάσματος. Αυξάνει την αποδοτικότητα, αλλά λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής η τιμή αυτών των πάνελ είναι πολύ υψηλότερη.
7. Η ενέργεια που δεν μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα, οπότε οι ηλιακοί συλλέκτες θερμαίνονται στους 55 βαθμούς και οι ημιαγωγικοί συλλέκτες στους 180 βαθμούς κατά τη διαδικασία. Και όσο θερμαίνεται, η απόδοση του ηλιακού συλλέκτη μειώνεται.

Το απλούστερο διάγραμμα ενός ηλιακού συλλέκτη.

Παρεμπιπτόντως! Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι πιο αποτελεσματικοί τις καθαρές χειμωνιάτικες ημέρες, όταν υπάρχει άπλετο φως και οι χαμηλές θερμοκρασίες ψύχουν την επιφάνεια.

Από τι αποτελούνται οι ηλιακοί συλλέκτες

Για να μελετήσετε την κατασκευή ενός ηλιακού συλλέκτη, πρέπει να κατανοήσετε τις κύριες ποικιλίες, καθώς η τεχνολογία παραγωγής έχει σημαντικές διαφορές ανάλογα με τις χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες:

1. Μπαταρίες CdTe. Το τελλουριούχο κάδμιο χρησιμοποιείται για την κατασκευή μονάδων φιλμ. Ένα στρώμα μερικών εκατοντάδων μικρομέτρων είναι αρκετό για να επιτευχθεί απόδοση περίπου 11% ή ελαφρώς υψηλότερη. Όμως, από την άποψη των watt ανά watt, είναι τουλάχιστον 30% φθηνότερα από τις παραδοσιακές εναλλακτικές λύσεις πυριτίου. Και είναι μια πολύ λεπτότερη και ελαφρύτερη εναλλακτική λύση.
2. Ο τύπος CIGS. Η συντομογραφία σημαίνει ότι περιέχει χαλκό, ίνδιο, γάλλιο και σελήνιο. Ο ημιαγωγός που προκύπτει εφαρμόζεται επίσης σε ένα μικρό στρώμα, αλλά σε αντίθεση με την πρώτη παραλλαγή, η απόδοση εδώ είναι μια τάξη μεγέθους υψηλότερη, στο 15%.
3. GaAs και InP είναι ικανά να εναποθέσουν ένα λεπτό στρώμα 5-6 μm και έχουν απόδοση περίπου 20%. Πρόκειται για μια νέα λέξη στις τεχνολογίες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το ηλιακό φως. Χάρη στις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας τους, οι μπαταρίες μπορούν να θερμανθούν σε υψηλά επίπεδα χωρίς καμία απώλεια απόδοσης. Όμως, λόγω του γεγονότος ότι στην παραγωγή χρησιμοποιούνται υλικά σπάνιων γαιών, το κόστος αυτού του τύπου είναι υψηλό.
4. Μπαταρίες κβαντικών κουκίδων (QDSC). Χρησιμοποιούν κβαντικές τελείες αντί για παραδοσιακά υλικά χύδην ως απορροφητικό υλικό για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας. Ρυθμίζοντας τα χάσματα ζώνης, είναι δυνατόν να κατασκευαστούν μονάδες πολλαπλών διακλαδώσεων που απορροφούν αποτελεσματικότερα την ηλιακή ενέργεια.
5. Άμορφο πυρίτιο εφαρμόζεται με εξάτμιση και έχει ετερογενή δομή. Δεν είναι πολύ αποτελεσματική, αλλά η ομοιογενής επιφάνεια απορροφά πολύ καλά ακόμη και το σκεδαζόμενο φως.
6. Πολυκρυσταλλική παραλλαγές που κατασκευάζονται με την τήξη πυριτίου και την ψύξη του κάτω από ορισμένες συνθήκες, προκειμένου να προκύψουν μονόδρομοι κρύσταλλοι. Μία από τις πιο συνηθισμένες λύσεις λόγω της φτηνής παραγωγής και της καλής απόδοσης.
7. Μονοκρυσταλλική αποτελούνται από μονοκρυστάλλους κομμένους σε λεπτές πλάκες και κραματωμένους με φώσφορο. Η πιο μακροχρόνια λύση, η οποία έχει χαμηλό ρυθμό υποβάθμισης και διάρκεια ζωής τουλάχιστον 30 ετών, αλλά συνήθως μεγαλύτερη κατά 10-15 έτη.

Οι μπαταρίες τελλουριδίου του καδμίου είναι από τις πιο κερδοφόρες όσον αφορά το κόστος ανά κιλοβάτ ηλεκτρικής ενέργειας.

Παρεμπιπτόντως! Η αποτελεσματικότητα αυτής ή εκείνης της παραλλαγής εξαρτάται από την τεχνολογία παραγωγής, οπότε είναι απαραίτητο να διευκρινιστεί.

Διαβάστε επίσης

Τύποι και μέθοδοι εγκατάστασης ηλιακών συλλεκτών

 

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ηλιακών συλλεκτών

Κάθε τύπος έχει τα δικά του χαρακτηριστικά που αξίζει να ληφθούν υπόψη κατά την επιλογή του καταλληλότερου τύπου:

1. Οι μονοκρυσταλλικοί συλλέκτες έχουν την υψηλότερη απόδοση και, συνεπώς, εξοικονομούν χώρο στις μονάδες. Έχουν διάρκεια ζωής τουλάχιστον 25 ετών και χάνουν αργά την ισχύ τους. Ταυτόχρονα, η επιφάνεια είναι πολύ ευαίσθητη στη βρωμιά και πρέπει να καθαρίζεται συχνά. Και η τιμή είναι η υψηλότερη όλων των παραλλαγών που βασίζονται στο πυρίτιο.
2. Οι πολυκρυσταλλικές παραλλαγές δεν απορροφούν τις ακτίνες του ήλιου τόσο αποτελεσματικά, αλλά λειτουργούν καλύτερα στο διάχυτο φως. Έχουν καλύτερη σχέση ποιότητας-τιμής, αλλά καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο λόγω της χαμηλότερης απόδοσής τους.
3. Οι μπαταρίες άμορφου πυριτίου μπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε, ακόμη και στους τοίχους των κτιρίων, επειδή απορροφούν καλά το διάχυτο φως. Έχουν χαμηλή απόδοση και χαμηλή τιμή, οπότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οικονομική επιλογή. Ταυτόχρονα, διαρκούν πολύ καιρό και δεν φοβούνται τόσο την επιφανειακή μόλυνση.
4. Οι παραλλαγές σπανίων γαιών έχουν παρόμοια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, οπότε μπορούν να εξεταστούν μαζί. Είναι ανώτερα από τα κλασικά πάνελ όσον αφορά την απόδοση και μπορούν να εφαρμοστούν σε φιλμ, πράγμα που είναι βολικό. Έχουν μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιών, οπότε η θέρμανση δεν επηρεάζει την απόδοση. Όμως, λόγω της υψηλής τιμής και της σπανιότητας των μετάλλων, οι επιλογές αυτές δεν χρησιμοποιούνται μαζικά.

Η επιλογή επιτοίχιας τοποθέτησης απλοποιεί τις εργασίες εγκατάστασης.

Πού να χρησιμοποιήσετε

Όλες οι εξεταζόμενες επιλογές μπορούν να εγκατασταθούν στον ιδιωτικό τομέα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο και την εξοικονόμηση ενεργειακών δαπανών, ή ακόμη και για την επίτευξη πλήρους αυτονομίας. Όσον αφορά τη χρήση, υπάρχουν ορισμένες απλές κατευθυντήριες γραμμές που πρέπει να λάβετε υπόψη:

1. Οι μονοκρυσταλλικές και πολυκρυσταλλικές παραλλαγές είναι καλύτερο να εγκαθίστανται στην οροφή ή στο έδαφος, με ένα πλαίσιο που κατασκευάζεται εκ των προτέρων υπό τη σωστή γωνία. Κατά προτίμηση, η γωνία πρέπει να είναι ρυθμιζόμενη, ώστε να μπορείτε να προσαρμόζεστε στον ήλιο.
2. Οι μονάδες ταινιών μπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε, τόσο σε τοίχους όσο και σε στέγες. Λειτουργούν καλά ακόμη και αν οι ακτίνες δεν φτάνουν στην επιφάνεια υπό τη σωστή γωνία, πράγμα που είναι πολύ σημαντικό.
3. Η βιομηχανία προτιμά επίσης τα θερμαντικά σώματα από φύλλο αλουμινίου, καθώς είναι φθηνότερα και ευκολότερα στην εγκατάσταση.

Οι εκδόσεις φιλμ είναι ευκολότερες στην εγκατάσταση για μεγάλους όγκους εργασιών.

Υπάρχουν διάφορες ποικιλίες ηλιακών συλλεκτών, αλλά περίπου το 90% της αγοράς καταλαμβάνεται από τα παραδοσιακά μοντέλα πυριτίου λόγω της χαμηλής τιμής και της καλής απόδοσής τους. Μπορείτε επίσης να επιλέξετε μια από τις λύσεις ημιαγωγών, αλλά τότε θα πρέπει να ξοδέψετε μιάμιση έως δύο φορές περισσότερα χρήματα.