Die effiziente Umwandlung von freien Sonnenstrahlen in Energie, die zur Versorgung von Wohnungen und anderen Objekten verwendet werden kann, ist der Traum vieler Entschuldiger für grüne Energie.
Das Funktionsprinzip der Solarbatterie und ihr Wirkungsgrad sind jedoch derart, dass von einem hohen Wirkungsgrad solcher Anlagen noch nicht gesprochen werden kann. Es wäre schön, eine eigene zusätzliche Stromquelle zu haben. Oder? Darüber hinaus konnten in Russland bereits heute viele private Haushalte mit Hilfe von Sonnenkollektoren erfolgreich mit „kostenlosem“ Strom versorgt werden. Sie wissen immer noch nicht, wo Sie anfangen sollen?
Im Folgenden werden Sie über das Gerät und die Funktionsweise des Solarpanels informiert und erfahren, was den Wirkungsgrad der Solaranlage bestimmt. In diesem Artikel veröffentlichte Videoclips helfen Ihnen beim persönlichen Zusammenbau eines Solarmoduls aus Photovoltaikzellen.
Inhalt des Artikels:
- Sonnenkollektoren: Terminologie
-
Die interne Struktur der Solarbatterie
- Arten von Fotozellenkristallen
- Das Prinzip des Solarpanels
- Wirkungsgrad der Solarbatterie
- Das Energieschema des Hauses von der Sonne
- Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema
Sonnenkollektoren: Terminologie
Im Thema "Sonnenenergie" viele Nuancen und Verwirrung. Oft ist es schwierig, wenn Neulinge zunächst alle unbekannten Begriffe verstehen. Ohne dies wäre es jedoch unklug, sich mit Sonnenenergie zu befassen und Geräte zur Erzeugung von Sonnenstrom zu erwerben.
Ohne es zu wissen, können Sie nicht nur ein ungeeignetes Panel auswählen, sondern es auch einfach verbrennen, wenn es angeschlossen ist, oder zu wenig Energie daraus ziehen.
Die maximale Wirkung des Solarmoduls lässt sich nur erzielen, wenn Sie wissen, wie es funktioniert, aus welchen Komponenten und Bestandteilen es besteht und wie alles korrekt verbunden ist.
Zunächst müssen Sie die vorhandenen Arten von Geräten für die Solarenergie verstehen. Sonnenkollektoren und Sonnenkollektoren sind zwei grundsätzlich verschiedene Geräte. Beide wandeln die Energie der Sonnenstrahlen um.
Im ersten Fall erhält der Verbraucher jedoch am Ausgang elektrische Energie und im zweiten Fall thermische Energie in Form eines erwärmten Kühlmittels, d. H. Sonnenkollektoren sind daran gewöhnt Heizung zu Hause.
Die zweite Nuance ist das Konzept des Begriffs „Solarbatterie“. Normalerweise bedeutet das Wort „Batterie“ ein Gerät, das Elektrizität ansammelt. Oder man denkt an einen banalen Heizkörper. Bei Heliobatterien ist die Situation jedoch völlig anders. Sie sammeln nichts in sich an.
Das Solarpanel erzeugt einen konstanten Strom. Um es in eine Variable umzuwandeln (im Alltag verwendet), muss ein Wechselrichter im Stromkreis vorhanden sein.
Sonnenkollektoren sind ausschließlich zur Erzeugung von elektrischem Strom bestimmt. Es sammelt sich wiederum an, um das Haus nachts mit Strom zu versorgen, wenn die Sonne jenseits des Horizonts untergeht, und zwar bereits in den Batterien, die im zusätzlichen Energieversorgungssystem des Objekts vorhanden sind.
Die Batterie ist hier im Zusammenhang mit einer Reihe ähnlicher Komponenten gemeint, die zu etwas Ganzem zusammengesetzt sind. In der Tat ist dies nur eine Tafel mit mehreren identischen Fotozellen.
Die interne Struktur der Solarbatterie
Nach und nach werden Solarzellen billiger und effizienter. Jetzt werden sie zum Aufladen von Batterien in Straßenlaternen, Smartphones, Elektroautos, Privathäusern und Satelliten im Weltraum verwendet. Sie begannen sogar, hochwertige Solarkraftwerke (SES) mit großen Erzeugungsmengen zu bauen.
Die Heliobatterie besteht aus einer Reihe von Photovoltaikzellen (photoelektrischen Wandlern FEP), die die Energie von Photonen aus der Sonne in Elektrizität umwandeln
Jede Solarbatterie ist als Block der n-ten Anzahl von Modulen angeordnet, die sequentiell verbundene Halbleiter-Photovoltaikzellen kombinieren. Um die Funktionsprinzipien einer solchen Batterie zu verstehen, ist es notwendig, die Arbeit dieser Endeinheit in dem auf der Basis von Halbleitern erstellten Heliopanel-Gerät zu verstehen.
Arten von Fotozellenkristallen
Optionen FEP aus verschiedenen chemischen Elementen gibt es eine riesige Menge. Bei den meisten handelt es sich jedoch um Entwicklungen in der Anfangsphase. Derzeit werden nur Photovoltaik-Module auf Siliziumbasis kommerziell hergestellt.
Siliziumhalbleiter werden wegen ihrer geringen Kosten bei der Herstellung von Solarzellen verwendet und können sich nicht eines besonders hohen Wirkungsgrades rühmen
Eine gewöhnliche Fotozelle in einem Heliopanel ist eine dünne Platte aus zwei Schichten Silizium, von denen jede ihre eigenen physikalischen Eigenschaften hat. Dies ist ein klassischer Halbleiter-PN-Übergang mit Elektron-Loch-Paaren.
Wenn Photonen aufgrund der Heterogenität des Kristalls auf das FEP zwischen diesen Schichten des Halbleiters treffen, wird ein Photo-EMF-Ventil gebildet, was zu einer Potentialdifferenz und einem Elektronenstrom führt.
Siliziumplatten von Fotozellen unterscheiden sich in der Herstellungstechnologie für:
- Einkristallin.
- Polykristallin.
Die ersten haben einen höheren Wirkungsgrad, aber die Kosten ihrer Herstellung sind höher als die zweiten. Äußerlich kann eine Option von einer anderen auf dem Solarpanel durch die Form unterschieden werden.
Einkristallines FEP hat eine homogene Struktur und besteht aus Quadraten mit abgeschnittenen Ecken. Im Gegensatz dazu haben polykristalline Elemente eine streng quadratische Form.
Durch die allmähliche Abkühlung der Siliziumschmelze entstehen Polykristalle. Dieses Verfahren ist äußerst einfach, so dass diese Photovoltaikzellen kostengünstig sind.
Ihre Leistung in Bezug auf die Stromerzeugung aus Sonnenstrahlen übersteigt jedoch selten 15%. Dies ist auf die "Verunreinigung" der erhaltenen Siliziumwafer und deren innere Struktur zurückzuführen. Hierbei ist die Effizienz des FEP umso höher, je reiner die p-Schicht aus Silizium ist.
Die Reinheit von Einkristallen ist in dieser Hinsicht viel höher als die von polykristallinen Analoga. Sie bestehen nicht aus geschmolzenem, sondern aus künstlich gezüchtetem ganzen Siliziumkristall. Der photoelektrische Umwandlungskoeffizient eines solchen FEP erreicht bereits 20-22%.
In einem gemeinsamen Modul sind einzelne Fotozellen auf einem Aluminiumrahmen montiert und zum Schutz von oben mit einem haltbaren Glas überzogen, das die Sonnenstrahlen nicht beeinträchtigt.
Die der Sonne zugewandte Deckschicht der Photozellenplatte besteht aus dem gleichen Silizium, jedoch unter Zusatz von Phosphor. Letzteres ist die Quelle für überschüssige Elektronen im pn-Übergangssystem.
Das Prinzip des Solarpanels
Wenn Sonnenstrahlen auf die Photozelle fallen, werden darin Nichtgleichgewichtselektronen-Loch-Paare erzeugt. Überschüssige Elektronen und "Löcher" werden teilweise durch den pn-Übergang von einer Halbleiterschicht zur anderen übertragen.
Infolgedessen tritt im externen Stromkreis Spannung auf. In diesem Fall wird der positive Pol der Stromquelle am Kontakt der p-Schicht und der negative an der n-Schicht gebildet.
Die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen den Kontakten der Photozelle tritt aufgrund von Änderungen der Anzahl von "Löchern" und Elektronen von verschiedenen Seiten des pn-Übergangs infolge der Bestrahlung der n-Schicht durch die Sonnenstrahlen auf.
Die an eine externe Last angeschlossenen Fotozellen in Form einer Batterie bilden damit einen Teufelskreis. Das Solarpanel fungiert somit als eine Art Rad, an dem Proteine Elektronen zusammenführen. Gleichzeitig wird der Akku allmählich aufgeladen.
Standard-Silizium-Lichtschranken sind Unijunction-Elemente. Elektronen fließen nur durch einen einzelnen pn-Übergang mit einer energiebegrenzten Photonenzone dieses Übergangs.
Das heißt, jede dieser Fotozellen kann Elektrizität nur aus einem engen Spektrum von Sonnenstrahlung erzeugen. Alle andere Energie wird verschwendet. Deshalb ist der Wirkungsgrad des FEP so gering.
Um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen, wurden Siliziumhalbleiterzellen in letzter Zeit mehrfach überführt (kaskadiert). In der neuen FEP gibt es bereits mehrere Übergänge. Und jeder von ihnen in dieser Kaskade ist für sein eigenes Sonnenlichtspektrum ausgelegt.
Dadurch steigt der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Photonen in elektrischen Strom für solche Solarzellen. Aber ihr Preis ist viel höher. Hier entweder die einfache Herstellung bei geringen Kosten und geringem Wirkungsgrad oder höhere Renditen bei gleichzeitig hohen Kosten.
Die Solarbatterie funktioniert sowohl im Sommer als auch im Winter (sie benötigt Licht und keine Wärme). Je weniger Bewölkung und heller die Sonne scheint, desto mehr Heliopanel erzeugt elektrischen Strom
Während des Betriebs erwärmen sich die Fotozelle und der gesamte Akku allmählich. Alle Energie, die nicht zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wurde, wird in Wärme umgewandelt. Oft steigt die Temperatur an der Oberfläche des Heliopanels auf 50–55 ° C. Aber je höher es ist, desto weniger effizient arbeitet die Photovoltaikzelle.
Infolgedessen erzeugt das gleiche Modell der Solarbatterie in der Wärme weniger Strom als im Frost. Photovoltaik-Show mit maximaler Effizienz an einem klaren Wintertag. Es gibt zwei Faktoren - viel Sonne und natürliche Kühlung.
Wenn außerdem Schnee auf die Platte fällt, wird trotzdem weiterhin Strom erzeugt. Außerdem haben die Schneeflocken nicht einmal Zeit darauf zu liegen und schmelzen durch die Hitze der erhitzten Fotozellen.
Wirkungsgrad der Solarbatterie
Eine Fotozelle erzeugt auch bei klarem Wetter mittags sehr wenig Strom, nur für den Betrieb der LED-Taschenlampe ausreichend.
Zur Erhöhung der Ausgangsleistung werden mehrere Solarzellen zur Erhöhung der Konstantspannung parallel und zur Erhöhung des Stroms in Reihe geschaltet.
Die Wirksamkeit von Sonnenkollektoren hängt ab von:
- Lufttemperatur und die Batterie selbst;
- richtige Auswahl des Lastwiderstandes;
- Einfallswinkel des Sonnenlichts;
- das Vorhandensein / Fehlen einer Antireflexbeschichtung;
- Lichtleistung.
Je niedriger die Straßentemperatur, desto effizienter sind die Photovoltaikzellen und die Solarbatterie insgesamt. Hier ist alles einfach. Die Berechnung der Belastungssituation ist jedoch komplizierter. Sie sollte auf der Grundlage des vom Panel erzeugten Stroms ausgewählt werden. Der Wert ändert sich jedoch in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen.
Heliopanels werden mit der Erwartung einer Ausgangsspannung hergestellt, die ein Vielfaches von 12 V beträgt. Wenn Sie 24 V an die Batterie anlegen müssen, müssen Sie zwei Panels parallel anschließen
Ständige Überwachung der Parameter der Solarbatterie und manuelle Korrektur ihrer Arbeit ist problematisch. Dafür ist es besser zu verwenden Steuerung Controllerder im automatischen Modus selbst die Einstellungen des Heliopanels anpasst, um daraus die maximale Leistung und optimale Betriebsmodi zu erzielen.
Der ideale Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf die Solarbatterie ist gerade. Bei einer Abweichung von 30 Grad von der Senkrechten sinkt der Wirkungsgrad der Platte jedoch nur im Bereich von 5%. Bei einer weiteren Vergrößerung dieses Winkels wird jedoch ein zunehmender Anteil der Sonnenstrahlung reflektiert, wodurch der Wirkungsgrad des FEP verringert wird.
Wenn die Batterie im Sommer maximale Energie liefern soll, sollte sie ausgerichtet sein senkrecht zum mittleren Sonnenstand, den es im Frühjahr und in den Tagundnachtgleichen einnimmt Herbst.
Für die Region Moskau sind es etwa 40 bis 45 Grad bis zum Horizont. Wenn im Winter das Maximum benötigt wird, sollte das Paneel aufrecht aufgestellt werden.
Und noch etwas: Staub und Schmutz beeinträchtigen die Leistung von Fotozellen erheblich. Photonen durch eine solche "schmutzige" Barriere gelangen einfach nicht zu ihnen, und daher gibt es nichts, was sie in Elektrizität umwandeln könnten. Die Paneele sollten regelmäßig gewaschen oder so eingestellt werden, dass der Staub von selbst durch Regen abgewaschen wird.
Einige Solarzellen haben eingebaute Linsen, um die Strahlung auf Solarzellen zu konzentrieren. Dies führt bei klarem Wetter zu einer Effizienzsteigerung. Bei starker Bewölkung richten diese Linsen jedoch nur Schaden an.
Wenn das übliche Panel in einer solchen Situation weiterhin Strom erzeugt, wenn auch in kleineren Mengen, funktioniert das Objektivmodell fast nicht mehr.
Die Sonnenbatterie der Fotozellen sollte idealerweise gleichmäßig leuchten. Wenn sich herausstellt, dass einer der Abschnitte abgedunkelt ist, wird ein nicht beleuchteter FEP zu einer parasitären Last. Sie erzeugen in einer solchen Situation nicht nur keine Energie, sondern entziehen sie auch den Arbeitselementen.
Die Paneele sollten so installiert werden, dass sich keine Bäume, Gebäude oder andere Hindernisse im Strahlengang der Sonne befinden.
Das Energieschema des Hauses von der Sonne
Die Solaranlage umfasst:
- Heliopanels.
- Controller.
- Batterien.
- Wechselrichter (Transformator).
Die Steuerung in diesem Schema schützt sowohl Solarbatterien als auch Batterien. Zum einen verhindert es das Fließen von Gegenströmen in der Nacht und bei bewölktem Wetter und zum anderen schützt es Batterien vor übermäßigem Laden / Entladen.
Batterien für Heliopaneele sollten in Alter und Kapazität gleich gewählt werden, da sonst das Laden / Entladen ungleichmäßig erfolgt, was zu einer starken Verkürzung der Lebensdauer führt
Zur Umwandlung von Gleichstrom auf 12, 24 oder 48 Volt in Wechselspannung werden 220 Volt benötigt Wechselrichter. Autobatterien sollten in einem solchen System nicht verwendet werden, da sie häufigem Aufladen nicht standhalten. Es ist am besten, spezielle Helium-AGM- oder Einfüll-OPzS-Batterien zu investieren und zu kaufen.
Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema
Funktionsprinzipien und Solarkreispläne nicht zu kompliziert zu verstehen. Und mit den unten gesammelten Videomaterialien wird es noch einfacher, alle Feinheiten des Betriebs und der Installation von Heliopanels zu verstehen.
Zugänglich und verständlich, wie ein Photovoltaik-Solarpanel im Detail funktioniert:
Wie sind die Sonnenkollektoren im folgenden Video angeordnet:
Solarpanel zum Selbermachen:
Jeder Artikel in Solarstromanlage Das Ferienhaus muss richtig abgestimmt sein. An Batterien, Transformatoren und der Steuerung treten unvermeidbare Leistungsverluste auf. Und sie sollten auf jeden Fall auf ein Minimum reduziert werden, da sonst die eher geringe Effizienz der Heliopanels auf null reduziert wird.
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