Il Sole è fonte inesauribile energia. Può essere utilizzato bruciando alberi o riscaldando l’acqua nei riscaldatori solari, convertendo il calore risultante in elettricità. Ma ci sono dispositivi che convertono direttamente la luce solare in elettricità. Questi sono i pannelli solari.
Ambito di applicazione
Esistono tre aree per l’utilizzo dell’energia solare:
- Risparmio energetico. I pannelli solari consentono di abbandonare l'alimentazione elettrica centralizzata o di ridurne il consumo, nonché di vendere l'elettricità in eccesso alla società fornitrice di energia elettrica.
- Fornire elettricità a strutture alle quali il collegamento delle linee elettriche è impossibile o economicamente non redditizio. Potrebbe trattarsi di un cottage estivo o di un capanno da caccia situato lontano dalle linee elettriche. Tali dispositivi vengono utilizzati anche per alimentare lampade in zone remote del giardino o nelle fermate degli autobus.
- Alimentatore per cellulari e dispositivi portatili. Durante le escursioni, le battute di pesca e altre attività simili, è necessario caricare telefoni, fotocamere e altri gadget. A questo scopo vengono utilizzate anche le celle solari.
Principio di funzionamento
Gli elementi delle celle solari sono wafer di silicio spessi 0,3 mm. Sul lato dove colpisce la luce, viene aggiunto boro alla piastra. Ciò porta alla comparsa di un numero eccessivo di elettroni liberi. Sul retro viene aggiunto fosforo, che porta alla formazione di “buchi”. Il confine tra loro si chiama giunzione p-n. Quando la luce colpisce la piastra, “espelle” gli elettroni sul lato posteriore. Ecco come appare una potenziale differenza. Indipendentemente dalle dimensioni dell'elemento, una cella sviluppa una tensione di 0,7 V. Per aumentare la tensione, vengono collegate in serie e per aumentare la corrente - in parallelo.
Opinione di un esperto
Alessio Bartosh
Specialista nella riparazione e manutenzione di apparecchiature elettriche ed elettroniche industriali.
Fai una domanda ad un espertoIn alcuni progetti, per aumentare la potenza, venivano installate lenti sopra gli elementi oppure veniva utilizzato un sistema di specchi. Con la diminuzione del costo delle batterie, tali dispositivi sono diventati obsoleti.
La massima efficienza del pannello, e quindi della potenza, si ottiene quando la luce cade con un angolo di 90 gradi. In alcuni dispositivi fissi, la batteria ruota per seguire il sole, ma ciò aumenta notevolmente i costi e rende la struttura più pesante.
Il principio di funzionamento di una batteria solare Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo delle batterie
I pannelli solari, come qualsiasi dispositivo, presentano vantaggi e svantaggi legati al principio di funzionamento e alle caratteristiche di progettazione.
Vantaggi dei pannelli solari:
- Autonomia. Consente di fornire elettricità a edifici o lampade remoti e al lavoro dispositivi mobili in condizioni di escursionismo.
- Economico. La luce del sole viene utilizzata per generare elettricità, per la quale non è necessario pagare. Pertanto, i sistemi fotovoltaici (sistemi fotovoltaici) si ammortizzano in 10 anni, che è inferiore alla vita utile di oltre 30 anni. Inoltre, 25-30 anni sono periodo di garanzia, e dopo di ciò l'impianto fotovoltaico continuerà a funzionare, portando profitto al proprietario. Naturalmente, è necessario tenere conto della sostituzione periodica di inverter e batterie, ma l'utilizzo di una centrale di questo tipo aiuta comunque a risparmiare denaro.
- Rispetto dell'ambiente. Durante il funzionamento, i dispositivi non inquinano l'ambiente e non fanno rumore, a differenza delle centrali elettriche che funzionano con altri tipi di carburante.
Oltre ai suoi vantaggi, FES presenta degli svantaggi:
- Alto prezzo. Un sistema del genere è piuttosto costoso, soprattutto considerando il prezzo batterie ricaricabili e inverter.
- Lungo periodo di recupero dell'investimento. I fondi investiti in una centrale fotovoltaica verranno ripagati solo dopo 10 anni. Questo è più della maggior parte degli altri investimenti.
- Gli impianti fotovoltaici occupano molto spazio: l'intero tetto e le pareti di un edificio. Ciò viola il design della struttura. Inoltre, batterie grande capacità occupare un'intera stanza.
- Generazione di energia irregolare. La potenza del dispositivo dipende dal tempo e dall'ora del giorno. Ciò viene compensato installando le batterie o collegando il sistema alla rete. Ciò consente di vendere l'elettricità in eccesso alla compagnia elettrica durante il giorno durante il giorno e di notte, al contrario, collegare l'apparecchiatura alla rete elettrica centralizzata.
Specifiche tecniche: cosa cercare
Il parametro principale di un sistema di fotocellule è la potenza. La tensione di tale installazione raggiunge il massimo in condizioni di luce intensa e dipende dal numero di elementi collegati in serie, che in quasi tutti i progetti è 36. La potenza dipende dall'area di un elemento e dal numero di catene di 36 pezzi collegati in parallelo.
Oltre alle batterie stesse, è importante scegliere un controller di carica delle batterie e un inverter che converta la carica delle batterie in tensione di rete, oltre ai pannelli stessi.
Le batterie hanno corrente consentita carica, che non deve essere superata, altrimenti il sistema fallirà. Conoscendo la tensione della batteria, è facile determinare la potenza necessaria per la ricarica. Deve essere maggiore della potenza dell'impianto solare, altrimenti in una giornata soleggiata parte dell'energia rimarrà inutilizzata.
Il controller fornisce la carica alle batterie e deve anche avere la potenza necessaria per sfruttare appieno l'energia solare.
L'apparecchiatura che riceve energia dalla centrale solare è collegata all'inverter, quindi la sua potenza deve corrispondere alla potenza totale degli apparecchi elettrici.
Tipi di pannelli solari
I pannelli si differenziano, oltre che per dimensioni e potenza, anche per la realizzazione in silicio dei singoli elementi.
Aspetto pannelli mono e policristallini Elementi in silicio monocristallino
Le celle solari in silicio monocristallino hanno una forma quadrata con angoli arrotondati. Ciò è dovuto alla tecnologia di produzione:
- un cristallo cilindrico viene coltivato da silicio fuso di elevato grado di purezza;
- dopo il raffreddamento, i bordi del cilindro vengono tagliati e la base circolare assume la forma di un quadrato con angoli arrotondati;
- il blocco risultante viene tagliato in piastre di 0,3 mm di spessore;
- boro e fosforo vengono aggiunti alle piastre e le strisce di contatto vengono incollate su di esse;
- da elementi già pronti la cella della batteria è assemblata.
La cella finita viene fissata alla base e rivestita con vetro che trasmette i raggi ultravioletti oppure stratificato.
Tali dispositivi sono caratterizzati dalla massima efficienza e affidabilità, pertanto sono installati in posti importanti, ad esempio, nei veicoli spaziali.
Fotocellule in silicio multicristallino
Oltre agli elementi di cristallo solido, esistono dispositivi in cui le celle solari sono realizzate in silicio policristallino. La tecnologia di produzione è simile. La differenza principale è che al posto del cristallo rotondo viene utilizzato un blocco rettangolare, costituito da un gran numero di piccoli cristalli di varie forme e dimensioni. Pertanto, gli elementi sono di forma rettangolare o quadrata.
Gli scarti della produzione di microcircuiti e fotocellule vengono presi come materia prima. Lo rende più economico prodotto pronto, ma ne degrada la qualità. Tali dispositivi hanno un'efficienza inferiore, in media il 18% contro il 20-22% delle batterie monocristalline. Tuttavia, la questione della scelta è piuttosto complessa. U diversi produttori il prezzo di un kilowatt di potenza per pannelli monocristallini e policristallini può essere uguale o a favore di qualsiasi tipo di dispositivo.
Fotocellule in silicio amorfo
IN l'anno scorso Si sono diffuse le batterie flessibili, più leggere di quelle rigide. La loro tecnologia di produzione differisce dalla tecnologia di produzione dei pannelli mono e policristallini: sottili strati di silicio con additivi vengono spruzzati su una base flessibile, solitamente una lamiera di acciaio, fino a raggiungere lo spessore richiesto. Successivamente, i fogli vengono tagliati, le strisce conduttive vengono incollate su di essi e l'intera struttura viene laminata.
Celle solari in silicio amorfo L'efficienza di tali batterie è circa 2 volte inferiore a quella delle strutture rigide, tuttavia sono più leggere e più durevoli perché possono essere piegate.
Tali dispositivi sono più costosi di quelli convenzionali, ma non esistono alternative in campeggio, quando leggerezza e affidabilità sono di primaria importanza. I pannelli possono essere cuciti su una tenda o su uno zaino e caricano le batterie durante gli spostamenti. Una volta piegati, tali dispositivi assomigliano a un libro o a un disegno arrotolato che può essere riposto in una custodia simile a un tubo.
Oltre a caricare i dispositivi mobili in movimento, i pannelli flessibili vengono installati nelle auto elettriche e negli aerei elettrici. Sul tetto, tali dispositivi seguono le curve delle tegole e, se come base viene utilizzato il vetro, assumono un aspetto colorato e possono essere inseriti nella finestra di casa o in una serra.
Regolatore di carica per pannelli solari
Il collegamento diretto del pannello alla batteria presenta degli svantaggi:
- Batteria con tensione nominale 12 V si caricheranno solo quando la tensione all'uscita delle fotocellule raggiunge 14,4 V, che è vicina al massimo. Ciò significa che per una parte del tempo le batterie non verranno caricate.
- La tensione massima delle fotocellule è 18 V. A questa tensione, la corrente di carica delle batterie sarà troppo elevata e si guastano rapidamente.
Per evitare questi problemi è necessario installare un regolatore di carica. I design più comuni sono PWM e MPRT.
Regolatore di carica PWM
Funzionamento del controller PWM ( modulazione dell'ampiezza dell'impulso- Inglese supporta la modulazione di larghezza di impulso - PWM). pressione costante all'uscita. Ciò garantisce la massima carica della batteria e la protegge dal surriscaldamento durante la ricarica.
Regolatore di carica MPPT
Il controller MPPT (inseguitore del punto di massima potenza) fornisce un valore di tensione e corrente in uscita che consente il massimo utilizzo del potenziale della batteria solare, indipendentemente dalla luminosità della luce solare. A luminosità ridotta alza la luce tensione di uscita al livello necessario per caricare le batterie.
Un tale sistema si trova in tutti i moderni inverter e controller di carica
Tipi di batterie utilizzate nelle batterie
Diversi tipi batterie che possono essere utilizzate per i pannelli solari batterie – elemento importante Sistemi di alimentazione solare 24 ore su 24, 7 giorni su 7 per la tua casa.
In tali dispositivi vengono utilizzati i seguenti tipi di batterie:
- antipasto;
- gel;
- batterie AGM;
- batterie allagate (OPZS) e sigillate (OPZV).
Altri tipi di batterie, come quelle alcaline o al litio, sono costose e usate raramente.
Tutti questi tipi di dispositivi devono funzionare a temperature comprese tra +15 e +30 gradi.
Batterie di avviamento
Il tipo più comune di batteria. Sono economici, ma hanno un'elevata corrente di autoscarica. Pertanto, dopo alcuni giorni nuvolosi, le batterie saranno scariche anche senza carico.
Lo svantaggio di tali dispositivi è che durante il funzionamento viene rilasciato gas. Pertanto devono essere installati in un'area non residenziale e ben ventilata.
Inoltre, la durata di tali batterie arriva fino a 1,5 anni, soprattutto con più cicli di carica-scarica. Pertanto, a lungo termine, questi dispositivi saranno i più costosi.
Batterie al gel
Le batterie al gel sono prodotti esenti da manutenzione. Non c'è emissione di gas durante il funzionamento, quindi possono essere installati in soggiorni e stanze senza ventilazione.
Tali dispositivi forniscono un'elevata corrente di uscita, hanno un'elevata capacità e una bassa corrente di autoscarica.
La mancanza di tali dispositivi in alto prezzo e breve durata.
batterie AGM
Queste batterie hanno una vita utile breve, tuttavia presentano numerosi vantaggi:
- nessuna emissione di gas durante il funzionamento;
- di piccole dimensioni;
- un gran numero (circa 600) cicli di carica-scarica;
- ricarica rapida (fino a 8 ore);
- funziona bene anche quando non è completamente carico.
Batteria AGM dall'interno Batterie elettrolitiche elettrolitiche (OPZS) e sigillate (OPZV).
Tali dispositivi sono i più affidabili e hanno la durata più lunga. Loro hanno bassa corrente autoscarica e alta intensità energetica.
Queste qualità rendono tali dispositivi i più apprezzati per l'installazione in sistemi di fotocellule.
Come determinare la dimensione e il numero delle fotocellule?
La dimensione ed il numero di fotocellule necessarie dipende dalla tensione, corrente e potenza da prelevare dalla batteria. La tensione di un elemento in una giornata soleggiata è di 0,5 V. Quando è nuvoloso è molto più bassa. Pertanto per caricare batterie da 12 V si collegano in serie 36 fotocellule. Di conseguenza, le batterie da 24 V richiedono 72 celle e così via. Il loro numero totale dipende dall'area di un elemento e dalla potenza richiesta.
Uno metro quadro L'area della batteria, tenendo conto dell'efficienza, può produrre circa 150 W. Più precisamente, può essere determinato dai libri di riferimento meteorologici che mostrano la quantità di radiazione solare nel luogo di installazione di una centrale solare o su Internet. L'efficienza del dispositivo è indicata nel passaporto.
Quando si realizza il fotovoltaico con le proprie mani, il numero richiesto di elementi è determinato dalla potenza di un elemento in un dato clima, tenendo conto dell'efficienza.
Il calcolo del numero di pannelli solari si basa sull'elettricità richiesta Efficienza dei pannelli solari in inverno
Nonostante in inverno il sole sia più basso, il flusso di luce diminuisce leggermente, soprattutto dopo la caduta della neve.
Ci sono tre ragioni principali per cui le celle solari sono meno efficienti in inverno:
- L'angolo di incidenza dei raggi cambia. Per mantenere la potenza, l'angolazione della batteria deve essere cambiata almeno una volta a stagione, preferibilmente ogni mese.
- La neve, soprattutto quella bagnata, aderisce alla superficie dell'apparecchio. Deve essere rimosso immediatamente dopo la caduta.
- In inverno ci sono meno ore di luce e più giornate nuvolose. È impossibile modificarlo, quindi è necessario calcolare la carica della batteria in base al minimo invernale.
Regole di installazione
La massima potenza del pannello si ottiene in una posizione in cui i raggi del sole cadono perpendicolarmente. Questo deve essere preso in considerazione durante l'installazione. È anche importante considerare a quale ora del giorno la nuvolosità è minima. Se l'angolazione del tetto e la sua posizione non soddisfano i requisiti, è possibile correggerla regolando la base.
Dovrebbe esserci uno spazio d'aria di 15-20 centimetri tra la batteria e il tetto. Ciò è necessario per consentire il deflusso della pioggia e per evitare il surriscaldamento.
Le celle fotovoltaiche non funzionano bene all'ombra, quindi dovresti evitare di posizionarle all'ombra di edifici o alberi.
Le centrali elettriche realizzate con fotocellule solari sono una promettente fonte di energia rispettosa dell'ambiente. Il loro uso diffuso risolverà i problemi di carenza energetica e inquinamento ambiente e l'effetto serra.
In tempi relativamente recenti l’idea stessa di fornire servizi privati era considerata fantastica, oggi è una realtà oggettiva. Già utilizzato in Europa a lungo, perché è una fonte praticamente inesauribile di energia a basso costo. Nel nostro paese, ottenere elettricità da tali dispositivi sta guadagnando popolarità. Questo processo non avviene troppo velocemente, e la ragione di ciò è: alto prezzo loro.
Il principio di funzionamento si basa sul fatto che in due wafer di silicio rivestiti con sostanze diverse (boro e fosforo), sotto l'influenza della luce solare, elettricità. Gli elettroni liberi compaiono in una piastra rivestita di fosforo.
Le particelle mancanti si formano nelle piastre rivestite di boro. Gli elettroni iniziano a muoversi sotto l'influenza della luce solare. Ecco come viene generata la corrente elettrica nei pannelli solari. I sottili fili di rame che ricoprono ciascuna batteria rimuovono la corrente da essa e la indirizzano allo scopo previsto.
Con una piastra puoi alimentare una piccola lampadina. La conclusione suggerisce se stessa. Affinché i pannelli solari possano fornire ad una casa energia sufficiente, la loro superficie deve essere abbastanza grande.
Meccanismi del silicio
Quindi, il principio di funzionamento di una batteria solare è chiaro. La corrente viene generata quando piastre speciali vengono esposte alla luce ultravioletta. Se come materiale per creare tali piastre viene utilizzato il silicio, le batterie vengono chiamate silicio (o silicio idrogeno).
Tali wafer richiedono sistemi di produzione molto complessi. Ciò, a sua volta, influisce notevolmente sul costo dei prodotti.
Esistono diversi tipi di silicio.
Convertitori monocristallini
Sono pannelli con angoli smussati. Il loro colore è sempre il nero puro.
Se parliamo di convertitori monocristallini, il principio di funzionamento di una batteria solare può essere brevemente descritto come moderatamente efficiente. Tutte le celle degli elementi fotosensibili di tale batteria sono dirette in una direzione.
Questo ti permette di ottenere il massimo risultato elevato tra sistemi simili. L'efficienza delle batterie di questo tipo raggiunge il 25%.
Lo svantaggio è che tali pannelli dovrebbero essere sempre rivolti verso il sole.
Se il sole si nasconde dietro le nuvole, tramonta verso l'orizzonte, o non è ancora sorto, le batterie produrranno una corrente piuttosto debole.
Policristallino
Le placche di questi meccanismi sono sempre quadrate e di colore blu scuro. La loro composizione superficiale comprende cristalli di silicio disomogenei.
L'efficienza delle batterie policristalline non è elevata come quella dei modelli monocristallini. Può raggiungere il 18%. Tuttavia, questo svantaggio è compensato dai vantaggi, di cui parleremo di seguito.
Il principio di funzionamento di questo tipo di celle solari consente di produrle non solo con silicio puro, ma anche con materiali riciclati. Questo spiega alcuni dei difetti riscontrati nell'attrezzatura. Caratteristica distintiva meccanismi di questo tipoè che possono generare corrente elettrica in modo abbastanza efficiente anche con tempo nuvoloso. Questa utile qualità li rende indispensabili nei luoghi in cui la luce solare diffusa è un evento quotidiano comune.
Pannelli in silicio amorfo
I pannelli amorfi sono più economici di altri; questo determina il principio di funzionamento della batteria solare e il suo design. Ogni pannello è costituito da diversi strati molto sottili di silicio. Sono realizzati spruzzando particelle di materiale sotto vuoto su pellicola, vetro o plastica.
L'efficienza dei pannelli è significativamente inferiore a quella dei modelli precedenti. Raggiunge il 6%. Gli strati di silicio sbiadiscono abbastanza rapidamente al sole. Dopo soli sei mesi di utilizzo di queste batterie, la loro efficienza diminuirà del 15% e talvolta fino al 20%.
Due anni di funzionamento esauriranno completamente la risorsa delle sostanze attive e il pannello dovrà essere sostituito.
Ma ci sono due vantaggi per cui queste batterie vengono ancora acquistate. Innanzitutto, funzionano anche con tempo nuvoloso. In secondo luogo, come accennato, non sono così costosi come le altre opzioni.
Fotoconvertitori ibridi
Il silicio amorfo è la base per la disposizione dei microcristalli. Il principio di funzionamento di una cella solare la rende simile ad un pannello policristallino. La differenza tra questo tipo di batteria è che è in grado di generare corrente elettrica di maggiore potenza in condizioni di luce solare diffusa, ad esempio in una giornata nuvolosa o all'alba.
Inoltre, le batterie funzionano non solo sotto l'influenza della luce solare, ma anche nello spettro degli infrarossi.
Convertitori solari a film polimerico
Questa alternativa ai pannelli in silicio ha il potenziale per dominare il mercato delle celle solari. Assomigliano a un film composto da diversi strati. Tra questi ci sono conduttori, uno strato polimerico della sostanza attiva, un substrato composto da sostanze organiche e una pellicola protettiva.
Tali celle solari, combinate tra loro, formano una batteria solare a pellicola del tipo a rullo. Questi pannelli sono più leggeri e compatti dei pannelli in silicio. Nella loro produzione non viene utilizzato silicio costoso e il processo di produzione in sé non è così costoso. Ciò rende il pannello avvolgibile più economico di tutti gli altri.
Il principio di funzionamento di una batteria solare fa sì che la loro efficienza non sia troppo elevata.
Raggiunge il 7%.
Il processo di produzione di pannelli di questo tipo si riduce alla stampa multistrato di una fotocellula su pellicola. La produzione viene stabilita in Danimarca.
Un altro vantaggio è la possibilità di tagliare il rotolo di batteria e personalizzarlo in qualsiasi dimensione e forma.
C'è solo un aspetto negativo. La produzione delle batterie ha appena iniziato, quindi è ancora abbastanza difficile acquistarle.
Ma c'è motivo di credere che questi elementi acquisiranno rapidamente una meritata buona reputazione tra i consumatori, il che darà ai produttori l'opportunità di avviare la produzione su scala più ampia.
Riscaldamento solare delle case
Il principio di funzionamento li distingue fondamentalmente da tutti i dispositivi sopra descritti. Questo è un dispositivo completamente diverso. La descrizione segue di seguito.
Il dettaglio principale sistema di riscaldamento, alimentato dall'energia solare, è un collettore che riceve la sua luce e la converte in energia cinetica. L'area di questo elemento può variare dai 30 ai 70 metri quadrati.
Per montare il collettore viene utilizzata un'attrezzatura speciale. Le piastre sono collegate tra loro tramite contatti metallici.
Il componente successivo del sistema è la caldaia di accumulo. Trasforma l'energia cinetica in energia termica. È coinvolto nel riscaldamento dell'acqua, la cui cilindrata può raggiungere i 300 litri. A volte tali sistemi sono supportati da caldaie aggiuntive a combustibile secco.
Completano il sistema solare termico gli elementi a parete e a pavimento, nei quali il liquido riscaldato circola attraverso sottili tubi di rame distribuiti su tutta la loro superficie. A causa della bassa temperatura di avvio dei pannelli e dell'uniformità del trasferimento di calore, la stanza si riscalda abbastanza rapidamente.
Come funziona il riscaldamento solare?
Diamo uno sguardo più da vicino a come funzionano i pannelli solari utilizzando la luce ultravioletta.
Esiste una differenza tra la temperatura del collettore e quella dell'elemento di accumulo. Il liquido di raffreddamento, che nella maggior parte dei casi è acqua a cui è stato aggiunto antigelo, inizia a circolare nel sistema. Il lavoro compiuto da un fluido è appunto energia cinetica.
Man mano che il fluido attraversa gli strati del sistema, l'energia cinetica viene convertita in calore, che viene utilizzata per riscaldare la casa. Questo processo di circolazione dei media fornisce calore all'ambiente e consente di immagazzinarlo in qualsiasi momento del giorno e dell'anno.
Quindi, abbiamo scoperto il principio di funzionamento dei pannelli solari.
Quasi il 100% di tutta l’energia che utilizziamo Vita di ogni giorno- Questa è l'energia del sole, in un modo o nell'altro trasformata. Il carbone sono piante morte che vivevano grazie alla fotosintesi, il petrolio sono piante e animali che si sono estinti milioni di anni fa e sono cresciuti grazie all'energia del sole. Anche quando si brucia la legna si libera l'energia solare che la legna ha assorbito. Infatti, qualsiasi centrale termica converte l’energia solare accumulata sotto forma di carbone, petrolio, gas e altri fossili in energia elettrica.
Il pannello solare lo fa semplicemente direttamente, senza la partecipazione di “intermediari”. L’elettricità è la forma più conveniente di utilizzo dell’energia solare. L’intera vita dell’umanità è oggi costruita attorno all’elettricità ed è molto difficile immaginare una civiltà senza di essa. Nonostante il fatto che le prime celle solari siano apparse più di mezzo secolo fa, l'energia solare non ha ancora trovato una distribuzione adeguata. Perché? Maggiori informazioni su questo argomento alla fine dell'articolo, ma per ora scopriamo come funziona.
Tutta colpa del silicio
Le batterie solari sono costituite da celle taglia più piccola– fotocellule realizzate in silicio.
Un pannello solare è composto da diverse fotocellule.
Importante. Il silicio è il semiconduttore più diffuso sulla Terra (circa il 30% dell'intera crosta terrestre)
Il silicio si trova tra due strati conduttivi.
"Sandwich" di silicio e strati conduttivi
Ogni atomo di silicio è collegato ai suoi vicini da quattro forti legami che mantengono gli elettroni in posizione, quindi la corrente non può fluire in quel modo.
Struttura degli atomi di silicio
Per ottenere la corrente vengono utilizzati due diversi strati di silicio:
- Il silicio di tipo N ha un eccesso di elettroni
- Silicio di tipo P – posti aggiuntivi per gli elettroni (lacune)
Silicio di tipo P e N
Quando sono collegati due tipi di silicio, gli elettroni possono spostarsi attraverso la giunzione PN, lasciando una carica positiva da un lato e una carica negativa dall'altro.
Per rendere tutto ciò più semplice da immaginare, è meglio pensare alla luce come a un flusso di particelle (fotoni) che colpiscono la nostra cellula così forte da staccare un elettrone dal suo legame, lasciando un buco. L'elettrone caricato negativamente e il sito della lacuna caricata positivamente possono ora muoversi liberamente, ma perché abbiamo un campo elettrico acceso Giunzione PN, si muovono solo in una direzione. L'elettrone va verso il conduttore N, la lacuna tende al lato P della placca.
Dopo essere stato “rilasciato” l'elettrone tende al conduttore
Tutti gli elettroni vengono raccolti da conduttori metallici nella parte superiore della cella e entrano rete esterna, che alimentano pantografi, batterie per pannelli solari o una sedia elettrica per un criceto :) . Dopo il lavoro svolto, gli elettroni ritornano lato posteriore i piatti occupano spazio proprio in quei “buchi”.
Funzionamento delle fotocellule
Una piastra standard, 150x150 mm, produce nominalmente solo 0,5 volt, ma se le combini in un unico pannello di grandi dimensioni, puoi ottenere più potenza e tensione. Per caricare un telefono cellulare, è necessario combinare 12 piastre di questo tipo. Per alimentare una casa è necessario spendere molte più piastre e pannelli.
Dato che l'unica parte mobile nelle celle solari sono gli elettroni, i pannelli solari non richiedono manutenzione e possono durare 20-25 anni senza usurarsi o rompersi.
Perché le persone non sono passate completamente all’energia solare?
Puoi parlare molto di politica, affari e altre teorie del complotto, ma nell'ambito di questo articolo vorrei parlare di altri problemi.
- Distribuzione non uniforme dell'energia solare sulla superficie del pianeta. Alcune zone sono più soleggiate di altre e anche questo è variabile. C'è molta meno energia solare nelle giornate nuvolose e nessuna di notte. E per affidarsi completamente all'energia solare, serve modi efficaci ottenere energia elettrica per tutte le aree.
- Efficienza In condizioni di laboratorio è stato ottenuto un risultato del 46%. Ma sistemi commerciali non raggiungono nemmeno il 25% di efficienza.
- Magazzinaggio. L’anello più debole dell’energia solare è la mancanza di un modo efficiente ed economico per immagazzinare l’elettricità generata. Le batterie esistenti sono pesanti e riducono significativamente l'efficienza di prestazioni già deboli sistema solare. In generale, immagazzinare 10 tonnellate di carbone è più semplice e conveniente rispetto a 46 megawatt generati dallo stesso carbone o dal sole.
- Infrastruttura. Per alimentare le megalopoli, le superfici dei tetti di queste città non saranno sufficienti a soddisfare tutte le richieste, quindi per l'implementazione energia solareè necessario trasportare energia e per questo è necessario costruire nuovi impianti energetici
Video su come vengono prodotti i pannelli solari.
Il video descrive in dettaglio il processo di produzione delle celle solari policristalline, il principio del loro funzionamento in una centrale solare e il principio di funzionamento del regolatore di carica e dell'inverter.
Negli ambienti professionali, i pannelli che convertono la luce solare in elettricità sono chiamati convertitori fotovoltaici, che comunemente vengono chiamati pannelli solari in modo colloquiale o quando si scrivono articoli comprensibili al grande pubblico. Il principio di funzionamento di questi dispositivi, i cui primi esemplari funzionanti sono apparsi molto tempo fa, è in realtà abbastanza semplice da comprendere da una persona che ha solo conoscenze scolastiche.
Non è un segreto che una giunzione pn possa convertire la luce in elettricità. Negli esperimenti scolastici, spesso conducono un esperimento con un transistor con il coperchio superiore tagliato, consentendo alla luce di cadere sulla giunzione pn. Collegandovi un voltmetro, è possibile registrare come un tale transistor emette una minuscola corrente elettrica quando irradiato dalla luce. E se aumenti zona p-n transizione, cosa accadrà in questo caso? Nel corso degli esperimenti scientifici degli anni passati, gli esperti hanno fabbricato una giunzione p-n con piastre di grande area, dando così vita a convertitori fotovoltaici chiamati celle solari.
Il principio di funzionamento dei moderni pannelli solari è stato preservato, nonostante la lunga storia della loro esistenza. Solo il design e i materiali utilizzati nella produzione hanno subito miglioramenti, grazie ai quali i produttori lo stanno gradualmente aumentando parametro importante, come fattore di conversione fotoelettrica o efficienza del dispositivo. Vale anche la pena dire che l'entità della corrente di uscita e della tensione della batteria solare dipende direttamente dal livello di illuminazione esterna che la colpisce.
Nella foto sopra puoi vedere la parte superiore strato pn la giunzione, che ha un eccesso di elettroni, è collegata a piastre metalliche che fungono da elettrodo positivo, trasmettendo la luce e conferendo all'elemento ulteriore rigidità. Lo strato inferiore nel design della cella solare presenta una mancanza di elettroni e un solido piastra metallica, svolgendo la funzione di un elettrodo negativo.
La tecnologia utilizzata per realizzare una batteria solare influisce sulla sua efficienza
Si ritiene che idealmente batteria solare ha un rendimento vicino al 20%. Tuttavia, in pratica e secondo gli specialisti del sito www.site, è approssimativamente pari solo al 10%, nonostante per alcuni pannelli solari sia maggiore, per altri inferiore. Ciò dipende principalmente dalla tecnologia utilizzata per realizzare la giunzione p-n. Le più popolari e con la più alta percentuale di efficienza continuano ad essere le batterie solari realizzate sulla base di silicio monocristallino o policristallino. Inoltre, questi ultimi stanno diventando sempre più comuni a causa della loro relativa convenienza. A quale tipo di costruzione appartiene una batteria solare può essere determinato ad occhio nudo. I convertitori di luce monocristallini hanno un colore esclusivamente nero-grigio, mentre i modelli basati su silicio policristallino si distinguono per una superficie blu. Le celle solari policristalline realizzate mediante fusione si sono rivelate più economiche da produrre. Tuttavia, i wafer policristallini e monocristallini presentano anche uno svantaggio: i progetti di celle solari basati su di essi non hanno flessibilità, il che in alcuni casi non danneggerà.
La situazione cambiò con l’avvento delle celle solari in silicio amorfo nel 1975, elemento attivo che ha uno spessore da 0,5 a 1 micron, conferendo loro flessibilità. Lo spessore degli elementi convenzionali in silicio raggiunge i 300 micron. Tuttavia, nonostante l'assorbimento della luce del silicio amorfo, che è circa 20 volte superiore a quello del silicio convenzionale, l'efficienza delle celle solari di questo tipo, ovvero l'efficienza, non supera il 12%. Per le opzioni mono e policristalline, con tutto ciò, può raggiungere rispettivamente il 17% e il 15%.
Il materiale di cui sono realizzate le piastre influisce sulle prestazioni delle celle solari
Il silicio puro non viene praticamente utilizzato nella produzione di wafer per celle solari. Molto spesso, il boro viene utilizzato come impurità per la fabbricazione di piastre che producono una carica positiva e l'arsenico per piastre caricate negativamente. Oltre a questi, nella produzione di celle solari vengono sempre più utilizzati componenti come arseniuro, gallio, rame, cadmio, tellururo, selenio e altri. Grazie a loro, i pannelli solari diventano meno sensibili ai cambiamenti della temperatura ambiente.
La maggior parte dei pannelli solari può immagazzinare energia, rappresentando i sistemi
IN mondo moderno Le batterie solari vengono utilizzate sempre meno separatamente da altri dispositivi, spesso rappresentano i cosiddetti sistemi. Dato che le celle fotovoltaiche producono elettricità solo se esposte direttamente alla luce solare, diventano praticamente inutili di notte o in una giornata nuvolosa. Con i sistemi ad energia solare, le cose sono diverse. Sono dotati di una batteria in grado di accumulare corrente elettrica durante il giorno, quando la batteria solare la produce, e di notte la carica accumulata può essere distribuita ai consumatori.
Per aumentare la potenza, la tensione di uscita e la corrente, i pannelli solari vengono utilizzati per creare pannelli in cui i singoli elementi sono collegati in serie o in parallelo.
Probabilmente hai notato che una normale calcolatrice funziona con un'illuminazione minima da qualsiasi lampada. Confronto delle dimensioni della cella solare di una calcolatrice e di una standard modulo solare, potenza di radiazione, puoi immaginare le prestazioni.
E questo non tiene conto dello spettro della luce solare, che è molto più ampio della radiazione visibile della lampada. Esistono sia gli infrarossi che gli ultravioletti. Questo esempio mostra chiaramente come una batteria solare, dall'alba al tramonto, svolge silenziosamente il suo lavoro. Sebbene l'efficienza con tempo nuvoloso sia naturalmente inferiore rispetto a quando c'è il sole.
Inoltre, più bassa è la temperatura ambiente, maggiore è Efficienza solare batterie.
Funzionamento a batteria solare
Al giorno d'oggi, i pannelli solari sono sempre più utilizzati non nell'industria spaziale, ma nella vita di tutti i giorni per alimentare e caricare i dispositivi portatili dispositivi elettronici. E in alcuni paesi l’energia solare viene già utilizzata attivamente non solo nei grandi impianti solari industriali. ma anche nei mini impianti elettrici domestici. Consideriamo il principio di funzionamento di una batteria solare. Come viene convertita l'energia luminosa del sole in energia elettrica? A molti può sembrare che il principio di conversione dell'energia luminosa in energia elettrica in una batteria solare sia molto difficile da comprendere per una persona che non ha un'istruzione superiore in questo campo. Tuttavia non lo è. Consideriamo questo processo in dettaglio utilizzando l'esempio del funzionamento di un convertitore fotoelettrico, utilizzato nelle batterie solari a conversione diretta.
I primi convertitori fotoelettrici furono creati dagli ingegneri dei Bell Labs nel 1950 appositamente per l'uso nello spazio. Si basano su elementi semiconduttori. Quando la luce solare li colpisce, avviene un processo basato sull'effetto tensione-voltaico nei semiconduttori disomogenei. convertire l’energia luminosa in elettricità. Questa è una trasformazione diretta di un'energia in un'altra, poiché il processo stesso è in una sola fase: non ci sono trasformazioni intermedie. L'efficienza di tale conversione dipende direttamente dalle proprietà elettriche e fisiche dei semiconduttori, nonché dalla loro fotoconduttività, ovvero dai cambiamenti nella conduttività elettrica di una sostanza quando viene illuminata.
Consideriamo più in dettaglio i processi che si verificano nella giunzione p-n di un semiconduttore quando esposto alla luce solare. Lascia che ti ricordi che una giunzione pn è una regione di un semiconduttore in cui il suo tipo di conduttività cambia da elettrone a lacuna. Quando la luce solare colpisce la transizione nella regione n, come risultato del flusso di cariche, si forma una carica volumetrica positiva e nella regione p una carica volumetrica negativa. Pertanto, si verifica una differenza di potenziale nella regione della giunzione pn. Combinando diversi convertitori fotovoltaici in un modulo in un certo ordine e i moduli in una batteria, otteniamo una batteria solare in grado di generare elettricità.
Come funziona una batteria solare?
Tutta la vita sulla terra è nata grazie all'energia del sole. Ogni secondo, la superficie del pianeta riceve grande quantità energia sotto forma di radiazione solare. Mentre bruciamo migliaia di tonnellate di carbone e prodotti petroliferi per riscaldare le nostre case, i paesi più vicini all’equatore soffocano per il caldo. Usare l'energia del sole per i bisogni umani è un compito degno di menti indagatrici. In questo articolo esamineremo la progettazione di un convertitore di luce solare diretta energia elettrica- celle a energia solare.
Un wafer sottile è costituito da due strati di silicio con proprietà fisiche diverse. Lo strato interno è silicio monocristallino puro con conduttività dei fori. Esternamente è rivestito da uno strato sottilissimo di silicio “contaminato”, ad esempio mescolato con fosforo. Sul retro della piastra è applicato un contatto metallico continuo. Al confine degli strati n e p, come risultato del flusso di carica, si formano zone impoverite con una carica volumetrica positiva non compensata nello strato n e una carica volumetrica negativa nello strato p. Queste zone insieme formano una giunzione pn.
La potenziale barriera che appare alla transizione impedisce il passaggio dei portatori di carica maggioritari, vale a dire elettroni dal lato dello strato p, ma consentono liberamente il passaggio dei portatori minoritari direzioni opposte. Questa proprietà delle giunzioni p-n determina la possibilità di ottenere foto-emf quando si irradia una cella solare con la luce solare. Quando il SC è illuminato, i fotoni assorbiti generano coppie elettrone-lacuna di non equilibrio. Gli elettroni generati nello strato p vicino alla giunzione pn si avvicinano alla giunzione pn e vengono trasportati nella regione n dal campo elettrico esistente in essa.
Allo stesso modo, i fori in eccesso creati nello strato n vengono parzialmente trasferiti allo strato p. Di conseguenza, lo strato n acquisisce un'ulteriore carica negativa e lo strato p acquisisce una carica positiva. La differenza di potenziale di contatto iniziale tra gli strati p e n del semiconduttore diminuisce e la tensione appare nel circuito esterno. Polo negativo la sorgente corrente corrisponde allo strato n e lo strato p a quello positivo.
La maggior parte delle celle solari moderne hanno una singola giunzione pn. In un tale elemento, i portatori di carica gratuiti vengono creati solo da quei fotoni la cui energia è maggiore o uguale al gap di banda. In altre parole, la risposta fotovoltaica di una cella unigiunzione è limitata alla parte dello spettro solare la cui energia è al di sopra del bandgap e non vengono utilizzati fotoni di energia inferiore. Strutture multistrato di due o più celle solari con differenti band gap possono superare questa limitazione. Tali elementi sono chiamati multigiunzione, cascata o tandem. Poiché funzionano con una porzione molto più ampia dello spettro solare, la loro efficienza di conversione fotovoltaica è maggiore. In una tipica cella solare multigiunzione, le singole celle solari sono disposte una dietro l'altra in modo tale che la luce solare colpisca per prima la cella con la banda proibita più grande e vengano assorbiti i fotoni con la massima energia.
Le batterie non funzionano alla luce del sole, ma in linea di principio alla luce del sole. Radiazioni elettromagnetiche raggiunge il suolo in qualsiasi periodo dell'anno. È solo che con il tempo nuvoloso viene prodotta meno energia. Ad esempio, abbiamo installato luci autonome alimentate a energia solare. Naturalmente ci sono brevi intervalli in cui le batterie non hanno il tempo di caricarsi completamente. Ma in generale questo non accade molto spesso durante l’inverno.
È interessante notare che, anche se la neve cade sul pannello solare, continua comunque a convertire l'energia solare. E poiché le fotocellule si riscaldano, la neve stessa si scioglie. Il principio è lo stesso del riscaldamento del vetro di un'auto.
Il clima invernale ideale per un pannello solare è una giornata gelida e senza nuvole. A volte in questi giorni puoi persino stabilire record di generazione.
In inverno l'efficienza del pannello solare diminuisce. A Mosca e nella regione di Mosca, in media, si genera 8 volte meno elettricità al mese. Diciamo, se in estate hai bisogno di 1 kW di energia per far funzionare un frigorifero, un computer e l'illuminazione a casa, in inverno è meglio fare scorta di 2 kW per affidabilità.
Allo stesso tempo, su Lontano est La durata del sole è più lunga, l'efficienza diminuisce solo di una volta e mezza o due volte. E, naturalmente, più si va a sud, minore è la differenza tra inverno ed estate.
Importante è anche l'angolo di inclinazione dei moduli. È possibile impostare un angolo universale per tutto l'anno. E puoi cambiarlo ogni volta, a seconda della stagione. Questo non lo fanno i proprietari della casa, ma gli specialisti che si recano sul posto.
Il principio di funzionamento di una batteria solare e i loro tipi
L’energia solare viene utilizzata nell’industria e nella vita quotidiana in molte parti del mondo. Il principio di funzionamento di una batteria solare è semplice e questa è una delle qualità di questa tecnologia che attira un gran numero di persone. Una cella fotovoltaica in silicio aiuta a convertire la luce solare in elettricità. Gli elettroni liberi diventano una fonte di corrente elettrica.
Una volta compreso come funziona una batteria solare, puoi facilmente progettarla tu stesso e utilizzarla per esigenze personali. Queste batterie sono affidabili, facili da usare e durevoli. Il vantaggio di un tale dispositivo è che può avere dimensioni diverse a seconda della quantità di energia richiesta.
Vale la pena evidenziarne alcuni tipi di pannelli solari. film sottile, pannelli monocristallini e policristallini. Il tipo più popolare di batterie è monocristallino. Grazie all'effetto fotovoltaico, le celle in silicone convertono l'energia solare in energia elettrica. Tali batterie sono generalmente abbastanza compatte perché quantità ottimale Ci sono trentasei celle al loro interno. Queste batterie sono ideali per l'installazione su superfici irregolari.
Il principio di funzionamento di un pannello solare di tipo domestico non è molto diverso. Grazie al loro resistente involucro in fibra di vetro, tali batterie possono essere utilizzate per generare energia sulle navi. Con il loro aiuto, puoi garantire il funzionamento dell'apparecchiatura e ricaricare la batteria. Questa installazione non funzionerà in modo efficace in condizioni di tempo nuvoloso. Esistono anche alcune limitazioni di temperatura alle quali è possibile ottenere i migliori risultati. grande quantità energia.
Sono molto richiesti batterie a film sottile. Il principio di funzionamento di questo tipo di batteria solare ne consente l'installazione ovunque. Queste batterie non richiedono luce solare diretta. Anche queste batterie funzioneranno grandi quantità polvere. Lo svantaggio di tali pannelli solari sono le loro grandi dimensioni, che rendono necessario allocare una vasta area per tali installazioni.
Fonti: super-alternatiwa.narod.ru, scsiexplorer.com.ua, howitworks.iknowit.ru, recyclemag.ru, energorus.com
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