Il principio di funzionamento di una batteria solare: come funziona e funziona un pannello solare

Convertire efficacemente i raggi del sole in energia che può essere utilizzata per alimentare case e altre strutture è il sogno accarezzato da molti sostenitori dell’energia verde.

Ma il principio di funzionamento della batteria solare e la sua efficienza sono tali che non è ancora necessario parlare dell'elevata efficienza di tali sistemi. Sarebbe bello avere una propria fonte aggiuntiva di elettricità. Non è questo? Inoltre, anche oggi in Russia, con l'aiuto dei pannelli solari, un numero considerevole di famiglie private viene rifornita con successo di elettricità “gratuita”. Non sai ancora da dove cominciare?

Di seguito ti parleremo della progettazione e dei principi di funzionamento di un pannello solare; imparerai da cosa dipende l'efficienza di un sistema solare. E i video pubblicati nell'articolo ti aiuteranno a montare un pannello solare da fotocellule con le tue mani.

Pannelli solari: terminologia

Ci sono molte sfumature e confusione sul tema “energia solare”. All'inizio è spesso difficile per i principianti comprendere tutti i termini non familiari. Ma senza questo, è irragionevole dedicarsi all'energia solare, acquistando attrezzature per generare corrente “solare”.

Inconsapevolmente, non solo puoi scegliere il pannello sbagliato, ma anche semplicemente bruciarlo quando lo colleghi o estrarre troppo poca energia da esso.

Innanzitutto, dovresti comprendere i tipi esistenti di apparecchiature per l'energia solare. Pannelli solari e collettori solari sono due dispositivi fondamentalmente diversi. Entrambi convertono l'energia dei raggi solari.

Tuttavia, nel primo caso, il consumatore riceve energia elettrica in uscita e nel secondo energia termica sotto forma di liquido di raffreddamento riscaldato, ad es. vengono utilizzati i pannelli solari riscaldamento domestico.

Il massimo rendimento di un pannello solare si ottiene solo sapendo come funziona, di quali componenti e assemblaggi è composto e come è tutto collegato correttamente

La seconda sfumatura è il concetto del termine “batteria solare”. In genere, la parola “batteria” si riferisce a qualche tipo di dispositivo di accumulo elettrico. Oppure mi viene in mente un banale radiatore per il riscaldamento. Nel caso delle batterie solari, invece, la situazione è radicalmente diversa. Non accumulano nulla in se stessi.

Il pannello solare genera una corrente elettrica costante. Per convertirlo in variabile (utilizzato nella vita di tutti i giorni), nel circuito deve essere presente un inverter

I pannelli solari sono progettati esclusivamente per generare corrente elettrica. Questa, a sua volta, viene accumulata per fornire elettricità alla casa durante la notte, quando il sole tramonta sotto l’orizzonte, già nelle batterie presenti anche nel circuito di alimentazione energetica della struttura.

La batteria qui è intesa nel contesto di un certo insieme di componenti simili assemblati in un unico insieme. In realtà si tratta solo di un pannello di più fotocellule identiche.

Struttura interna di una batteria solare

A poco a poco, i pannelli solari stanno diventando più economici ed efficienti.Ora vengono utilizzati per ricaricare le batterie dei lampioni, degli smartphone, delle auto elettriche, delle case private e dei satelliti nello spazio. Hanno persino iniziato a costruire veri e propri impianti di energia solare (SPP) con grandi volumi di produzione.

Una batteria solare è composta da numerose fotocellule (convertitori fotoelettrici) che convertono l'energia dei fotoni del sole in elettricità

Ogni batteria solare è progettata come un blocco di un certo numero di moduli, che combinano fotocellule a semiconduttore collegate in serie. Per comprendere i principi di funzionamento di tale batteria, è necessario comprendere il funzionamento di questo collegamento finale nel dispositivo a pannello solare, creato sulla base di semiconduttori.

Tipi di cristalli di fotocellule

Esiste un numero enorme di opzioni FEP realizzate con diversi elementi chimici. Tuttavia, la maggior parte di essi sono sviluppi nelle fasi iniziali. Finora vengono prodotti su scala industriale solo i pannelli costituiti da celle fotovoltaiche a base di silicio.

I semiconduttori di silicio vengono utilizzati nella produzione di celle solari a causa del loro basso costo e non possono vantare un'efficienza particolarmente elevata

Una tipica fotocellula in un pannello solare è un sottile wafer formato da due strati di silicio, ciascuno dei quali ha le proprie proprietà fisiche. Questa è una classica giunzione pn del semiconduttore con coppie elettrone-lacuna.

Quando i fotoni colpiscono la cella fotovoltaica tra questi strati semiconduttori, a causa della disomogeneità del cristallo, si forma una foto-EMF di gate, che dà luogo ad una differenza di potenziale e ad una corrente di elettroni.

I wafer di silicio delle celle solari differiscono nella tecnologia di produzione in:

1. Monocristallino.
2. Policristallino.

I primi hanno un'efficienza maggiore, ma il costo della loro produzione è superiore a quello dei secondi. Esternamente, un'opzione di un pannello solare si distingue dall'altra per la sua forma.

Le celle solari monocristalline hanno una struttura omogenea; sono realizzate sotto forma di quadrati con angoli tagliati. Al contrario, gli elementi policristallini hanno una forma rigorosamente quadrata.

I policristalli si ottengono mediante raffreddamento graduale del silicio fuso. Questo metodo è estremamente semplice, motivo per cui tali fotocellule sono economiche.

Ma la loro produttività in termini di generazione di elettricità dai raggi solari raramente supera il 15%. Ciò è dovuto alla “impurità” dei wafer di silicio risultanti e alla loro struttura interna. Qui, quanto più puro è lo strato di silicio p, tanto maggiore è l'efficienza della cella solare che ne deriva.

La purezza dei singoli cristalli a questo proposito è molto superiore a quella degli analoghi policristallini. Non sono realizzati con cristalli di silicio solido fuso, ma coltivati ​​artificialmente. Il coefficiente di conversione fotoelettrica di tali celle solari raggiunge già il 20-22%.

Le singole fotocellule sono assemblate in un modulo comune su un telaio in alluminio e, per proteggerle, sono ricoperte superiormente da un vetro resistente, che non interferisce in alcun modo con i raggi del sole

Lo strato superiore della piastra della fotocellula rivolto verso il sole è costituito dallo stesso silicio, ma con l'aggiunta di fosforo. È quest'ultimo che sarà la fonte degli elettroni in eccesso nel sistema di giunzione pn.

Una vera svolta nel campo dell’energia solare è stata lo sviluppo di pannelli flessibili con silicio fotovoltaico amorfo:

Principio di funzionamento del pannello solare

Quando la luce solare colpisce una fotocellula, al suo interno vengono generate coppie elettrone-lacuna non in equilibrio. Gli elettroni e le lacune in eccesso vengono parzialmente trasferiti attraverso la giunzione pn da uno strato del semiconduttore all'altro.

Di conseguenza, la tensione appare nel circuito esterno. In questo caso si forma un polo positivo della sorgente di corrente sul contatto dello strato p e un polo negativo sullo strato n.

La differenza di potenziale (tensione) tra i contatti della fotocellula appare a causa di un cambiamento nel numero di "buchi" e di elettroni su diversi lati della giunzione p-n a seguito dell'irradiazione dello strato n con i raggi solari

Le fotocellule collegate ad un carico esterno sotto forma di batteria formano con esso un circolo vizioso. Di conseguenza, il pannello solare funziona come una sorta di ruota lungo la quale gli elettroni “corrono” insieme tra le proteine. E la batteria si carica gradualmente.

I convertitori fotovoltaici al silicio standard sono celle a giunzione singola.Il flusso di elettroni in essi avviene solo attraverso una giunzione p-n con una zona di questa transizione limitata nell'energia dei fotoni.

Cioè, ciascuna di queste fotocellule è in grado di generare elettricità solo da uno spettro ristretto di radiazione solare. Tutta l'altra energia viene sprecata. Ecco perché l’efficienza della FEP è così bassa.

Per aumentare l'efficienza delle celle solari, recentemente hanno iniziato a realizzare elementi semiconduttori in silicio multigiunzione (cascata). Ci sono già diverse transizioni nelle nuove celle solari. Inoltre, ciascuno di essi in questa cascata è progettato per il proprio spettro di luce solare.

Alla fine aumenta l'efficienza totale della conversione dei fotoni in corrente elettrica per tali fotocellule. Ma il loro prezzo è molto più alto. In questo caso, o facilità di produzione con costi contenuti e bassa efficienza, oppure rendimenti più elevati abbinati a costi elevati.

Il pannello solare può funzionare sia in estate che in inverno (ha bisogno di luce, non di calore): meno nuvoloso e luminoso è il sole, maggiore sarà la corrente elettrica generata dal pannello solare

Durante il funzionamento la fotocellula e l'intera batteria si riscaldano gradualmente. Tutta l'energia che non è stata utilizzata per generare corrente elettrica viene trasformata in calore. Spesso la temperatura sulla superficie del pannello solare sale fino a 50–55 °C. Ma più è alto, meno efficiente è il funzionamento della cella fotovoltaica.

Di conseguenza, lo stesso modello di batteria solare genera meno corrente nella stagione calda che nella stagione fredda. Le fotocellule mostrano la massima efficienza in una limpida giornata invernale. Ci sono due fattori in gioco qui: molto sole e raffreddamento naturale.

Inoltre, se cade la neve sul pannello, questo continuerà comunque a generare elettricità.Inoltre, i fiocchi di neve non avranno nemmeno il tempo di stenderci sopra, essendosi sciolti per il calore delle fotocellule riscaldate.

Efficienza della batteria solare

Una fotocellula, anche a mezzogiorno con tempo sereno, produce pochissima elettricità, sufficiente solo per azionare una torcia a LED.

Per aumentare la potenza in uscita, diverse celle solari vengono combinate in un circuito parallelo per aumentare la tensione CC e in un circuito in serie per aumentare la corrente.

L’efficienza dei pannelli solari dipende da:

• temperatura dell'aria e della batteria stessa;
• corretta selezione della resistenza di carico;
• angolo di incidenza della luce solare;
• presenza/assenza di rivestimento antiriflesso;
• potenza del flusso luminoso.

Più bassa è la temperatura esterna, più efficiente è il funzionamento delle fotocellule e della batteria solare nel suo insieme. Tutto è semplice qui. Ma con il calcolo del carico la situazione è più complicata. Va selezionato in base alla corrente fornita dal pannello. Ma il suo valore varia a seconda dei fattori meteorologici.

I pannelli solari vengono prodotti con una tensione di uscita multipla di 12 V: se è necessario fornire 24 V alla batteria, sarà necessario collegare ad essa due pannelli in parallelo

Monitorare costantemente i parametri di una batteria solare e regolarne manualmente il funzionamento è problematico. Per questo è meglio usare regolatore di controllo, che regola automaticamente le impostazioni del pannello solare per ottenere da esso le massime prestazioni e modalità operative ottimali.

L'angolo di incidenza ideale dei raggi solari su una batteria solare è dritto. Tuttavia, se la deviazione è entro 30 gradi dalla perpendicolare, l'efficienza del pannello diminuisce solo del 5% circa.Ma con un ulteriore aumento di questo angolo, verrà riflessa una percentuale crescente della radiazione solare, riducendo così l’efficienza della cella solare.

Se si vuole che la batteria produca la massima energia in estate, allora dovrebbe essere orientata perpendicolarmente alla posizione media del Sole, che occupa negli equinozi in primavera e autunno.

Per la regione di Mosca, si tratta di circa 40–45 gradi rispetto all'orizzonte. Se è necessario il massimo in inverno, il pannello deve essere posizionato in una posizione più verticale.

E ancora una cosa: polvere e sporco riducono notevolmente le prestazioni delle fotocellule. I fotoni semplicemente non li raggiungono attraverso una barriera così "sporca", il che significa che non c'è nulla da convertire in elettricità. I pannelli devono essere lavati regolarmente oppure posizionati in modo che la polvere venga rimossa dalla sola pioggia.

Alcuni pannelli solari sono dotati di lenti integrate per concentrare la radiazione sulla cella solare. Con tempo sereno ciò porta ad una maggiore efficienza. Tuttavia, in caso di nuvole pesanti, queste lenti causano solo danni.

Se un pannello convenzionale in una situazione del genere continua a generare corrente, anche se in volumi più piccoli, il modello dell'obiettivo smetterà di funzionare quasi completamente.

Idealmente il sole dovrebbe illuminare in modo uniforme una batteria di fotocellule. Se una delle sue sezioni risulta oscurata, le celle solari non illuminate si trasformano in un carico parassitario. Non solo non generano energia in una situazione del genere, ma la tolgono anche dagli elementi di lavoro.

I pannelli devono essere installati in modo che non vi siano alberi, edifici o altri ostacoli nel percorso dei raggi solari.

Schema di alimentazione dell'energia solare della casa

Il sistema di alimentazione solare comprende:

1. Pannelli solari.
2. Controllore.
3. Batterie.
4. Invertitore (trasformatore).

Il controller in questo circuito protegge sia i pannelli solari che le batterie. Da un lato impedisce il flusso di correnti inverse di notte e in caso di tempo nuvoloso e dall'altro protegge le batterie da un eccessivo caricamento/scaricamento.

Le batterie ricaricabili per i pannelli solari dovrebbero essere scelte uguali per età e capacità, altrimenti il ​​caricamento/scaricamento avverrà in modo non uniforme, il che porterà ad una netta riduzione della loro durata

Per trasformare la corrente continua da 12, 24 o 48 volt in corrente alternata da 220 volt è necessario inverter. Le batterie per auto non sono consigliate per l'uso in un circuito di questo tipo a causa della loro incapacità di sopportare ricariche frequenti. È meglio spendere soldi e acquistare speciali batterie all'elio AGM o OPzS allagate.

Conclusioni e video utile sull'argomento

Principi di funzionamento e schemi di collegamento dei pannelli solari non troppo difficile da capire. E con i materiali video che abbiamo raccolto di seguito, sarà ancora più facile comprendere tutte le complessità del funzionamento e dell'installazione dei pannelli solari.

È accessibile e comprensibile il funzionamento di una batteria solare fotovoltaica, in tutti i suoi dettagli:

Guarda come funzionano i pannelli solari nel seguente video:

Assemblaggio pannello solare fai da te da fotocellule:

Ogni elemento in sistema di energia solare il cottage deve essere scelto correttamente. Si verificano inevitabili perdite di potenza nelle batterie, nei trasformatori e nel controller. E devono essere ridotti al minimo, altrimenti il ​​rendimento già piuttosto basso dei pannelli solari verrà ridotto a zero.

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