A napelem működési elve: hogyan működik és működik a napelem
A szabad napsugarak hatékony átalakítása otthonok és egyéb létesítmények energiaellátására felhasználható energiává sok zöldenergia apologéta dédelgetett álma.
De a napelem működési elve és hatékonysága olyan, hogy az ilyen rendszerek nagy hatásfokáról még nem kell beszélni. Jó lenne, ha rendelkezne saját kiegészítő áramforrással. Nem? Ráadásul még ma is Oroszországban a napelemek segítségével jelentős számú magánháztartást sikeresen ellátnak „ingyenes” árammal. Még mindig nem tudja, hol kezdje?
Az alábbiakban bemutatjuk a napelemek tervezését és működési elveit, megtudhatja, mitől függ egy napelemes rendszer hatékonysága. A cikkben közzétett videók pedig segítenek abban, hogy saját kezűleg összeállítson egy napelemet fotocellákból.
A cikk tartalma:
Napelemek: terminológia
Elég sok árnyalat és zűrzavar van a „napenergia” témában. A kezdőknek gyakran nehéz először megérteni az összes ismeretlen kifejezést. De e nélkül ésszerűtlen a napenergiával foglalkozni, berendezéseket vásárolni a „napenergia” előállítására.
A tudtán kívül nem csak rossz panelt választhatunk, hanem egyszerűen elégethetjük is a csatlakoztatáskor, vagy túl kevés energiát vonhatunk ki belőle.
Először is meg kell értenie a napenergia meglévő berendezéstípusait. A napelemek és a napkollektorok két alapvetően különböző eszköz. Mindkettő átalakítja a napsugarak energiáját.
Azonban az első esetben a fogyasztó elektromos energiát kap a kimeneten, a másodikban pedig hőenergiát fűtött hűtőfolyadék formájában, azaz. napelemeket használnak otthon fűtése.
A második árnyalat a „napelem” kifejezés fogalma. Az „akkumulátor” szó általában valamilyen elektromos tárolóeszközre utal. Vagy egy banális fűtési radiátor jut eszembe. A napelemek esetében azonban gyökeresen más a helyzet. Nem halmoznak fel semmit magukban.
A napelemek kizárólag elektromos áram előállítására szolgálnak. Felhalmozódik viszont a ház elektromos áramellátására éjszaka, amikor a nap a horizont alá megy, már a létesítmény energiaellátó áramkörében lévő akkumulátorokban.
Az akkumulátor itt egy bizonyos, egyetlen egésszé összeállított hasonló alkatrészkészlettel összefüggésben értendő. Valójában ez csak egy panel több azonos fotocellából.
A napelem belső szerkezete
Fokozatosan a napelemek olcsóbbak és hatékonyabbak lesznek.Ma már utcai lámpákban, okostelefonokban, elektromos autókban, magánlakásokban és az űrben lévő műholdakon töltik az akkumulátorokat. Még teljes értékű naperőműveket (SPP-ket) kezdtek építeni nagy termelési volumennel.
Minden napelem egy bizonyos számú modul blokkjaként van kialakítva, amelyek sorba kapcsolt félvezető fotocellákat egyesítenek. Az ilyen akkumulátor működési elveinek megértéséhez meg kell érteni a félvezetők alapján létrehozott napelemes készülék végső láncszemének működését.
A fotocellás kristályok fajtái
Rengeteg FEP-opció létezik, amelyek különböző kémiai elemekből készülnek. Ezek többsége azonban a kezdeti szakaszban lévő fejlesztés. Ipari méretekben egyelőre csak szilícium alapú fotovoltaikus cellákból készült paneleket gyártanak.
A napelemek tipikus fotocellája két réteg szilíciumból álló vékony lapka, amelyek mindegyike saját fizikai tulajdonságokkal rendelkezik. Ez egy klasszikus félvezető p-n átmenet elektron-lyuk párokkal.
Amikor a fotonok e félvezető rétegek között érik a fotovoltaikus cellát, a kristály inhomogenitása miatt egy kapu foto-EMF keletkezik, ami potenciálkülönbséget és elektronáramot eredményez.
A napelemek szilíciumlapkái a gyártástechnológiában különböznek:
- Monokristályos.
- Polikristályos.
Az előbbiek hatásfoka magasabb, de előállításuk költsége magasabb, mint az utóbbiaké. Külsőleg a napelemeken az egyik opció a formája alapján megkülönböztethető a másiktól.
A monokristályos napelemek homogén szerkezetűek, négyzet alakúak, vágott sarkokkal. Ezzel szemben a polikristályos elemek szigorúan négyzet alakúak.
A polikristályokat az olvadt szilícium fokozatos lehűtésével állítják elő. Ez a módszer rendkívül egyszerű, ezért az ilyen fotocellák olcsók.
De termelékenységük a napsugárzásból történő villamosenergia-termelés tekintetében ritkán haladja meg a 15%-ot. Ennek oka a keletkező szilícium lapkák „szennyeződése” és belső szerkezetük. Itt minél tisztább a p-szilícium réteg, annál nagyobb a hatásfoka az abból származó napelemnek.
Az egykristályok tisztasága ebből a szempontból sokkal magasabb, mint a polikristályos analógoké. Nem olvadt, hanem mesterségesen termesztett szilíciumkristályból készülnek. Az ilyen napelemek fotoelektromos konverziós együtthatója már eléri a 20-22%-ot.
A fotocellás lemez nap felé eső felső rétege ugyanabból a szilíciumból készül, de foszfor hozzáadásával. Ez utóbbi lesz a felesleges elektronok forrása a pn átmenetrendszerben.
A napenergia területén igazi áttörést jelentett az amorf fotovoltaikus szilíciumot tartalmazó rugalmas panelek kifejlesztése:
A napelem működési elve
Amikor a napfény egy fotocellára esik, nem egyensúlyi elektron-lyuk párok keletkeznek benne. A felesleges elektronok és lyukak részben átkerülnek a pn átmeneten keresztül a félvezető egyik rétegéből a másikba.
Ennek eredményeként feszültség jelenik meg a külső áramkörben. Ebben az esetben a p-réteg érintkezésekor az áramforrás pozitív pólusa, az n-rétegen pedig egy negatív pólus jön létre.
A külső terheléshez akkumulátor formájában csatlakoztatott fotocellák ördögi kört alkotnak vele. Ennek eredményeként a napelem egyfajta kerékként működik, amelyen az elektronok „futnak” együtt a fehérjék között. És az akkumulátor fokozatosan töltődik.
A szabványos szilícium fotovoltaikus konverterek egycsatlakozású cellák.Az elektronok beléjük áramlása csak egy p-n átmeneten keresztül történik, ennek az átmenetnek a fotonenergiában korlátozott zónájával.
Vagyis minden ilyen fotocella csak egy szűk spektrumú napsugárzásból képes villamos energiát előállítani. Minden más energia elpazarolt. Ezért olyan alacsony a FEP hatékonysága.
A napelemek hatékonyságának növelése érdekében a közelmúltban elkezdték a hozzájuk tartozó szilícium félvezető elemeket multijunction (kaszkád) készíteni. Az új napelemekben már több átmenet van. Sőt, ebben a kaszkádban mindegyiket a saját napfény spektrumához tervezték.
Az ilyen fotocellák fotonjainak elektromos árammá alakításának teljes hatékonysága végül megnő. De az ára sokkal magasabb. Itt vagy egyszerű gyártás alacsony költséggel és alacsony hatékonysággal, vagy magasabb megtérülés magas költségekkel párosulva.
Működés közben a fotocella és a teljes akkumulátor fokozatosan felmelegszik. Minden energia, amelyet nem használtak fel elektromos áram előállítására, hővé alakul. A napelem felületén a hőmérséklet gyakran 50-55 °C-ra emelkedik. De minél magasabb, annál kevésbé hatékonyan működik a fotovoltaikus cella.
Ennek eredményeként ugyanaz a napelem-modell meleg időben kevesebb áramot termel, mint hideg időben. A fotocellák maximális hatékonyságot mutatnak egy tiszta téli napon. Itt két tényező játszik szerepet – a sok napsütés és a természetes hűtés.
Sőt, ha hó esik a panelre, továbbra is áramot termel.Ráadásul a hópelyheknek nem is lesz idejük sokat feküdni rajta, mert megolvadtak a felhevült fotocellák hőjétől.
A napelemes akkumulátor hatékonysága
Egy fotocella tiszta időben délben is nagyon kevés áramot termel, csak egy LED-es zseblámpa működtetéséhez elegendő.
A kimenő teljesítmény növelése érdekében több napelemet kombinálnak egy párhuzamos áramkörben az egyenfeszültség növelésére és egy soros áramkörben az áram növelésére.
A napelemek hatékonysága a következőktől függ:
- a levegő és az akkumulátor hőmérséklete;
- a terhelési ellenállás helyes kiválasztása;
- a napfény beesési szöge;
- tükröződésmentes bevonat jelenléte/hiánya;
- fényáram teljesítmény.
Minél alacsonyabb a külső hőmérséklet, annál hatékonyabban működnek a fotocellák és a napelem egésze. Itt minden egyszerű. De a terhelés számításánál a helyzet bonyolultabb. A panel által szolgáltatott áram alapján kell kiválasztani. De értéke az időjárási tényezők függvényében változik.
A napelem paramétereinek folyamatos figyelése és működésének manuális beállítása problémás. Ehhez jobb használni vezérlő vezérlő, amely automatikusan módosítja a napelem beállításait, hogy maximális teljesítményt és optimális működési módokat érjen el belőle.
A napsugarak ideális beesési szöge egy napelemen egyenes. Ha azonban az eltérés 30 fokon belül van a merőlegestől, akkor a panel hatásfoka csak körülbelül 5%-kal csökken.De ennek a szögnek a további növelésével a napsugárzás egyre nagyobb hányada visszaverődik, ezáltal csökken a napelem hatékonysága.
Ha az akkumulátornak nyáron kell maximális energiát termelnie, akkor azt merőlegesen kell elhelyezni a Nap átlagos helyzetére, amelyet a tavaszi és őszi napéjegyenlőség idején elfoglal.
A moszkvai régióban ez körülbelül 40–45 fok a horizonthoz képest. Ha télen a maximumra van szükség, akkor a panelt függőlegesebb helyzetbe kell helyezni.
És még egy dolog - a por és szennyeződés nagymértékben csökkenti a fotocellák teljesítményét. A fotonok egyszerűen nem érik el őket egy ilyen „piszkos” korláton keresztül, ami azt jelenti, hogy nincs mit átalakítani elektromossággá. A paneleket rendszeresen le kell mosni, vagy úgy kell elhelyezni, hogy a port az eső magától lemossa.
Egyes napelemek beépített lencsékkel rendelkeznek, amelyek a sugárzást a napelemre koncentrálják. Tiszta időben ez növeli a hatékonyságot. Erős felhőkben azonban ezek a lencsék csak kárt okoznak.
Ha egy hagyományos panel ilyen helyzetben továbbra is áramot termel, bár kisebb mennyiségben, akkor az objektívmodell szinte teljesen leáll.
Ideális esetben a napnak egyenletesen meg kell világítania egy fotocella elemet. Ha az egyik szakasza elsötétült, akkor a megvilágítatlan napelemek parazita terheléssé válnak. Nemhogy nem termelnek energiát ilyen helyzetben, hanem el is veszik a működő elemektől.
A paneleket úgy kell felszerelni, hogy a napsugarak útjában ne legyenek fák, épületek vagy egyéb akadályok.
Ház napelemes áramellátási diagramja
A napelemes rendszer a következőket tartalmazza:
- Napelemek.
- Vezérlő.
- Elemek.
- Inverter (transzformátor).
A vezérlő ebben az áramkörben egyaránt védi a napelemeket és az akkumulátorokat. Egyrészt megakadályozza az ellenáram áramlását éjszaka és borús időben, másrészt megvédi az akkumulátorokat a túlzott töltéstől/kisüléstől.
A 12, 24 vagy 48 voltos egyenáram 220 voltos váltakozó árammá alakításához szükséges inverter. Az autóakkumulátorok használata nem ajánlott ilyen áramkörben, mivel nem bírják a gyakori újratöltést. A legjobb, ha pénzt költ, és speciális hélium AGM vagy elárasztott OPzS akkumulátorokat vásárol.
Következtetések és hasznos videó a témában
Működési elvek és napelem bekötési rajzok nem túl nehéz megérteni. Az alábbiakban összegyűjtött videó anyagokkal pedig még könnyebben megérthetjük a napelemek működésének és beszerelésének minden bonyodalmát.
Hozzáférhető és érthető a fotovoltaikus napelem működése, minden részletében:
Nézze meg a napelemek működését az alábbi videóban:
DIY napelem összeszerelés fotocellákból:
Minden elem benne napelemes rendszer ház kell választani helyesen. Az akkumulátorokban, a transzformátorokban és a vezérlőben elkerülhetetlen teljesítményveszteség lép fel. Ezeket pedig minimálisra kell csökkenteni, különben a napelemek amúgy is meglehetősen alacsony hatásfoka nullára csökken.
Volt-e kérdésed az anyag tanulmányozása közben? Vagy tud értékes információkat a cikk témájában, és megoszthatja olvasóinkkal? Kérjük, írja meg észrevételeit az alábbi blokkban.
Eljátszom a gondolattal, hogy a házamat napelemekkel szereljem fel. Az energiafüggetlenség kilátása csábító. Sok anyagot olvastam ebben a témában. Sok előnye és hátránya van. Mindent mérlegelni kell, mert az élvezet meglehetősen drága. Ez a cikk sem növelte az önbizalmat. Hogyan állítsuk be helyesen a panelt, hogy télen és nyáron is a maximumot érjük el? Mi a helyzet az ellátással? Rendszeresen fel kell másznod a tetőre, hogy lemosd a port a napelemekről? A tetőre mászni nem könnyű feladat. És még inkább az életkorral. A kényelmes működés érdekében mindent figyelembe kell venni. Jó, hogy itt elmagyarázzák a különböző árnyalatokat.
Vladimir, szereljen fel napelemeket, és ne habozzon. Ha körülbelül 20 ezer dollárja van napelemek vásárlására, akkor kössön szerződést azok telepítésére és karbantartására. A szakemberek a megfelelő szögben helyezik be ezt az akkumulátort. És nem kell magának felmásznia a tetőre. Fiatal srácok Karcherrel jönnek, megmossák és megfeszítik, ami kell. Hiszem, hogy a naperőművek jelentik a jövőt.
20 ezer dollár a panelek felszerelésére!? Nem fogják igazolni magukat az életben. Plusz egy vezérlő, akkumulátorok, feszültség átalakító. Hányan repülnek belőlük azalatt, amíg 20 ezer dollárt költesz áramra? Tehát fontolja meg, hogy ma nyereséges-e vagy sem.
A nyaralómban két 200 W-os panelt és két 120 Amperes akkumulátort szereltem fel. Plusz egy 5 kW-os feszültségátalakító (csúcsterhelés 8 kW) és egy vezérlő. Minden körülbelül 1000 euróba került. Az öntözéshez 35-40°-on is elegendő hő jut. De nem több. Ha házat építek, hozzáadom a panelek számát, az akkumulátorokat és a vezérlőt. Telepítsen szélmalmot télre.nincs más választásom. A dacha telek nincs csatlakoztatva az áramforráshoz. Egy csatlakozás 1600 euróba kerül. Ráadásul a nyaralókban drága az áram. 30 cent 1 kW-on belül.
Megértem a felháborodásodat, hiszen a 20 ezer dolláros ár a szerelési és beüzemelési munkákat is figyelembe véve tényleg sok. A legtöbb olvasónk számára ez irdatlan összeg. De az Ön által megvalósított lehetőség, valamint a későbbi korszerűsítés és a napelemek számának növelése a későbbi termelékenységgel az optimális megoldás.
Ami a téli szélmalmot illeti, egyetértek Önnel, mert a napelemek termelékenysége a novembertől januárig tartó időszakban minimális szintre süllyed a szélességi köreinken. Ráadásul ősszel és télen a paneleket folyamatosan meg kell tisztítani a szennyeződéstől, a levelektől és a hótól. Tehát a szélturbina kiváló kiegészítő alternatív energiaforrás lesz ebben az évszakban. Egyébként a fórumon és cikkekben már többször szóba kerültek a különféle lehetőségek.
Miért törölted a hozzászólásomat? Nagyon bántja a szemem. Itt írták, hogy plusz 20 000 dollárral fel lehet szerelni a paneleket. Olyan érzés, mintha a panelek a milliomosoknak valók Oroszországban, nem pedig az embereké. Európában már régóta minden az embereké. 16 éve élek Írországban, és egy magánház áráról érdeklődtem. Tehát az állam is állja a költségek 30%-át. Az ár 3000 és 7000 euró között változik. De ha már 6,7 ezer euróra teszed, mínusz az állami fedezet 30%-a
Állj meg! Miért szükséges napelemeket telepíteni a tetőre? Ha nagy terület van az udvarán, akkor könnyen megvalósíthatja az elemek földi elhelyezését. Ebben az esetben a napelemek tisztán tartása sokkal könnyebb lesz, különösen télen.
A napelemek elhelyezésére szolgáló keret készülhet fémből vagy fából. De én az első opciót javaslom, mert megbízhatóbb és tartósabb.
Miért vannak 20 ezres árai, ott hársként tépik le. Írországban egy magánház hivatalosan 6000-7000 euróba kerül, ráadásul az állam a költségek 30%-át állja. Lehet, hogy felteszem
... A „Hatékonyság ...” oszlopban. durva elírás egy laikustól - sorba kapcsolva a PV cellák megnövelik a berendezés teljes FESZÜLTSÉGÉT, párhuzamosan kapcsolva pedig az ÁRAM. Előfordul... Bár kétlem a modern menedzserek és ügyintézők fizika tudását!