Jak działają panele słoneczne

Budowa kolektora słonecznego i zasada jego działania zależy od materiałów i technologii, z których został wykonany. Dlatego też należy zapoznać się z cechami głównych opcji, aby zrozumieć, czym się różnią, i wybrać odpowiednie rozwiązanie. Wszystkie dane dotyczą produktów wysokiej jakości, tanie baterie mogą nie spełniać podanych parametrów, ponieważ często są produkowane z nieprawidłowościami technologicznymi.

Standardowa konstrukcja sztywnego panelu słonecznego.

Terminologia

Główne terminy stosowane w tej dziedzinie to:

1. Energia słoneczna - energia elektryczna pozyskiwana ze słońca przy użyciu paneli.
2. Nasłonecznienie - wskazuje, ile światła słonecznego dociera na metr kwadratowy powierzchni prostopadłej do promieni.
3. Ogniwa fotowoltaiczne - moduły zdolne do przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną. Zazwyczaj wytwarzają od 1 do 2 watów energii, ale dostępne są też wersje o większej mocy.
4. System fotowoltaiczny - zestaw urządzeń, które przetwarzają światło słoneczne na energię elektryczną.
5. Ogniwa lub panele słoneczne to grupa ogniw fotowoltaicznych zgrupowanych w duży moduł i połączonych szeregowo lub szeregowo-równolegle. Zazwyczaj pojedyncza bateria zawiera od 36 do 40 segmentów.
6. Matryca - kilka paneli słonecznych połączonych w celu uzyskania wymaganej ilości prądu.
7. Moduły ramowe - konstrukcje w ramie aluminiowej, które są wytrzymałe i hermetyczne.
8. Elementy bezramowe - wersje elastyczne, są stosowane w aplikacjach o mniejszych obciążeniach.
9. Kilowatogodzina (kW) - standardowa miara mocy elektrycznej.
10. Efektywność (sprawność) - paneli słonecznych. Wskazuje, jaka część energii słonecznej, która trafia na powierzchnię, jest przekształcana w energię elektryczną. Zwykle jest to 15-24%.
11. Degradacja - zmniejszenie pojemności ogniwa słonecznego, które następuje z przyczyn naturalnych. Mierzona jako procent wartości oryginalnych.
12. Obciążenia szczytowe to okresy, w których wymagana jest największa ilość energii elektrycznej.
13. Krzem krystaliczny jest surowcem do produkcji paneli słonecznych. Jest to obecnie najbardziej powszechna i długotrwała opcja.
14. Krzem amorficzny - kompozycja nanoszona na powierzchnię przez odparowanie i zabezpieczona powłoką ochronną.
15. Półprzewodniki - substancje, które w pewnych warunkach mogą przewodzić prąd. Dotyczy to większości nowych materiałów wykorzystywanych do produkcji ogniw słonecznych.
16. Falownik - urządzenie, które przekształca prąd stały w prąd zmienny.
17. Sterownik - reguluje napięcie wyjściowe z modułów słonecznych w celu właściwego naładowania akumulatorów.

Mapa nasłonecznienia w Rosji.

Są to tylko najczęściej spotykane terminy, istnieją też inne opcje. Jednak nawet znajomość podstaw pozwoli lepiej zrozumieć ten temat.

Kategorie jakości

Aby ocenić jakość panelu słonecznego, należy przede wszystkim sprawdzić klasę surowca użytego do produkcji ogniw fotowoltaicznych. Decyduje to o wydajności i żywotności gotowego produktu. Istnieją cztery główne klasy:

1. Stopień A - Najlepszy gatunek, który jest wolny od wszelkich uszkodzeń i pęknięć. Jednorodność wypełnienia i gładkość powierzchni gwarantuje wysoką wydajność, która często jest nawet wyższa niż podana w dokumentacji. Ponadto ten wariant charakteryzuje się najniższym tempem degradacji i utrzymuje dobre parametry przez długi czas.
2. Stopień B jest nieco gorszej jakości i może mieć wady powierzchniowe. Jest on jednak często stosowany do produkcji wyrobu o parametrach porównywalnych z klasą A. Współczynnik degradacji jest znacznie niższy i dlatego szybciej traci on swoje początkowe właściwości.
3. Stopień C - opcja, w której mogą występować dość poważne wady, od pęknięć po wyszczerbienia i inne uszkodzenia. Moduły te są znacznie tańsze, ale ich sprawność nigdy nie przekracza 15%. Jest to niedrogie rozwiązanie, które nadaje się do małych obciążeń.
4. Stopień D - Zasadniczo jest to materiał odpadowy pozostały po produkcji ogniw fotowoltaicznych, który nie powinien być wykorzystywany do produkcji baterii. Jednak wielu niezbyt uczciwych producentów, zwłaszcza z Azji, stosuje je w produkcji. Wydajność tej opcji jest bardzo niska.

Lepiej jest wybrać pierwszą opcję, w razie potrzeby wystarczy druga. Tylko one będą w stanie zapewnić normalną wydajność i będą działać przez długi czas.

Folia ochronna na kolektory słoneczne powinna być również wysokiej jakości.

Materiał do laminowania EVA to specjalna folia, którą umieszcza się na przedniej stronie i którą można wykorzystać na odwrocie. Głównym celem jest ochrona elementów roboczych przed niekorzystnymi wpływami, bez zakłócania działania światła słonecznego. Wersje wysokiej jakości wytrzymują około 25 lat, a niskiej jakości - od 5 do 10 lat. Nie da się określić rodzaju na oko, dlatego łatwiej jest ocenić go po cenie - dobre warianty nie będą miały niskich cen.

W filmie przedstawiono graficznie zjawisko prądu elektrycznego na przykładzie ekspozycji na światło słoneczne.

Jak to działa?

Wyjaśnienie sposobu działania panelu słonecznego jest trudne, ale można podać kilka ogólnych uwag:

1. Gdy światło słoneczne trafia na ogniwa fotowoltaiczne, zaczynają się w nich tworzyć nierównowagowe pary elektron-dziura.
2. Nadmiar elektronów powoduje, że przechodzą one do dolnej warstwy półprzewodnika.
3. W obwodzie zewnętrznym powstaje napięcie. Biegun dodatni pojawia się na styku warstwy p, a biegun ujemny na styku warstwy n.
4. Jeśli do ogniw fotowoltaicznych zostanie podłączony akumulator, powstanie obwód zamknięty, a stale poruszające się elektrony będą stopniowo ładować akumulator.
5. Konwencjonalne moduły krzemowe to ogniwa jednoprzejściowe, które mogą wytwarzać energię tylko z określonego spektrum światła słonecznego. Z tego powodu wydajność urządzeń jest niska.
6. Aby rozwiązać ten problem, producenci opracowali wersje kaskadowe, które mogą pobierać energię z różnych promieni widma słonecznego. Zwiększa to wydajność, ale ze względu na wysokie koszty produkcji cena takich paneli jest znacznie wyższa.
7. Energia, która nie jest zamieniana na energię elektryczną, jest zamieniana na ciepło, więc panele słoneczne nagrzewają się do 55 stopni, a panele półprzewodnikowe do 180 stopni. W miarę wzrostu temperatury spada wydajność panelu słonecznego.

Najprostszy schemat panelu słonecznego.

Przy okazji! Panele słoneczne są najbardziej efektywne w pogodne zimowe dni, kiedy jest dużo światła, a niskie temperatury chłodzą powierzchnię.

Z czego wykonane są panele słoneczne

Aby zapoznać się z budową panelu słonecznego, należy poznać jego główne odmiany, ponieważ technologia produkcji różni się znacznie w zależności od użytych surowców:

1. Baterie CdTe. Tellurku kadmu używa się do produkcji modułów foliowych. Warstwa o grubości kilkuset mikrometrów wystarcza do uzyskania sprawności około 11% lub nieco wyższej. Jednak w przeliczeniu na wat jest on o co najmniej 30% tańszy od tradycyjnych rozwiązań krzemowych. Jest to także znacznie cieńsza i lżejsza alternatywa.
2. Typ CIGS. Skrót ten oznacza, że zawiera miedź, ind, gal i selen. Powstały w ten sposób półprzewodnik jest również nakładany na niewielką warstwę, ale w odróżnieniu od pierwszego wariantu wydajność jest tu o rząd wielkości wyższa i wynosi 15%.
3. GaAs i InP Są one w stanie osadzić cienką warstwę o grubości 5-6 μm, a ich wydajność wynosi około 20%. Jest to nowe słowo w technologii wytwarzania energii elektrycznej ze światła słonecznego. Dzięki wysokim temperaturom pracy akumulatory mogą być podgrzewane do wysokich temperatur bez utraty wydajności. Jednak ze względu na fakt, że do produkcji wykorzystywane są materiały ziem rzadkich, koszt tego typu urządzeń jest wysoki.
4. Baterie z kropkami kwantowymi (QDSC). Wykorzystują one kropki kwantowe zamiast tradycyjnych materiałów sypkich jako materiał absorbujący energię słoneczną. Dostosowując przerwy między pasmami, można tworzyć moduły wielozłączowe, które skuteczniej absorbują energię słoneczną.
5. Krzem amorficzny jest nanoszony przez odparowanie i ma niejednorodną strukturę. Nie jest ona bardzo wydajna, ale jednorodna powierzchnia bardzo dobrze pochłania nawet rozproszone światło.
6. Polikrystaliczna Warianty wytwarzane przez topienie krzemu i chłodzenie go w określonych warunkach w celu uzyskania jednokierunkowych kryształów. Jedno z najczęściej stosowanych rozwiązań ze względu na taniość produkcji i dobrą wydajność.
7. Monokrystaliczna komórki składają się z pojedynczych kryształów pociętych na cienkie płytki i stopionych z fosforem. Najtrwalsze rozwiązanie, które charakteryzuje się niskim stopniem degradacji i okresem eksploatacji wynoszącym co najmniej 30 lat, ale najczęściej dłuższym o 10-15 lat.

Baterie tellurkowo-kadmowe należą do najbardziej opłacalnych pod względem kosztu wytworzenia jednego kilowata energii elektrycznej.

Przy okazji! Efektywność tego lub innego wariantu zależy od technologii produkcji, dlatego konieczne jest jej wyjaśnienie.

Czytaj także

Rodzaje i metody instalacji paneli słonecznych

 

Zalety i wady kolektorów słonecznych

Każdy typ ma swoje własne cechy charakterystyczne, które warto rozważyć przy wyborze najbardziej odpowiedniego typu:

1. Panele monokrystaliczne mają najwyższą sprawność, a tym samym pozwalają zaoszczędzić miejsce w module. Ich żywotność wynosi co najmniej 25 lat, a utrata mocy następuje powoli. Jednocześnie powierzchnia ta jest bardzo wrażliwa na zabrudzenia i musi być często czyszczona. A cena jest najwyższa spośród wszystkich wariantów opartych na krzemie.
2. Warianty polikrystaliczne nie pochłaniają promieni słonecznych tak skutecznie, ale lepiej sprawdzają się w świetle rozproszonym. Są one korzystniejsze cenowo, ale zajmują więcej miejsca ze względu na mniejszą wydajność.
3. Baterie z krzemu amorficznego mogą być umieszczane w dowolnym miejscu, w tym na ścianach budynków, ponieważ dobrze pochłaniają światło rozproszone. Charakteryzują się one niską sprawnością i niską ceną, dlatego mogą być stosowane jako opcja ekonomiczna. Jednocześnie mają one długą żywotność i nie obawiają się tak bardzo zanieczyszczenia powierzchni.
4. Warianty metali ziem rzadkich mają podobne wady i zalety, dlatego można je rozpatrywać łącznie. Pod względem wydajności przewyższają one klasyczne panele, a ponadto mogą być stosowane na folii, co jest wygodne. Mają one większy zakres temperatur, więc ogrzewanie nie wpływa na ich wydajność. Jednak ze względu na wysoką cenę i rzadkość występowania tych metali, opcje te nie są masowo stosowane.

Opcja montażu na ścianie upraszcza prace instalacyjne.

Gdzie stosować

Wszystkie rozważane opcje mogą być instalowane w sektorze prywatnym w celu pozyskiwania energii elektrycznej ze słońca i oszczędzania kosztów energii, a nawet osiągnięcia pełnej autonomii. Jeśli chodzi o użytkowanie, należy wziąć pod uwagę kilka prostych wytycznych:

1. Warianty monokrystaliczne i polikrystaliczne najlepiej instalować na dachu lub na ziemi, uprzednio konstruując ramę pod odpowiednim kątem. Najlepiej, jeśli kąt nachylenia jest regulowany, aby można było dostosować się do słońca.
2. Moduły foliowe można umieszczać w dowolnym miejscu, zarówno na ścianach, jak i na dachy. Działają one dobrze nawet wtedy, gdy promienie nie docierają do powierzchni pod odpowiednim kątem, co jest bardzo ważne.
3. Przemysł preferuje również grzejniki foliowe, ponieważ są one tańsze i łatwiejsze w montażu.

Wersje foliowe są łatwiejsze w instalacji w przypadku dużych ilości pracy.

Istnieje kilka odmian paneli słonecznych, ale około 90% rynku zajmują tradycyjne modele krzemowe ze względu na ich niską cenę i dobrą wydajność. Można też wybrać jedno z rozwiązań półprzewodnikowych, ale wtedy trzeba będzie wydać od półtora do dwóch razy więcej pieniędzy.