Princip delovanja sončne celice: kako deluje sončni panel

Učinkovito pretvarjanje brezplačnih sončnih žarkov v energijo, ki jo je mogoče uporabiti za oskrbo z elektriko stanovanj in drugih objektov, je cenjena sanje mnogih zagovornikov zelene energije.

Vendar pa princip delovanja sončne baterije in njen izkoristek sta takšna, da o visoki učinkovitosti takšnih sistemov še ni mogoče govoriti. Ne bi bilo slabo imeti lasten dodaten vir električne energije. Kajne? Še posebej, ker že danes tudi v Rusiji s pomočjo sončnih panelov 'zastonjsko' elektriko uspešno oskrbuje veliko število zasebnih gospodinjstev. Ali še vedno ne veste, kje začeti?

Spodaj vam bomo povedali o zgradbi in principih delovanja sončne plošče, izvedeli boste, od česa je odvisna učinkovitost sončnega sistema. Video posnetki, ki so objavljeni v članku, pa vam bodo pomagali lastnoročno sestaviti sončno ploščo iz fotocelic.

Sončne baterije: terminologija

Na področju 'sončne energije' je precej odtenkov in zmede. Začetniki se pogosto sprva težko znajdejo med vsemi nepoznanimi izrazi. Vendar pa se je brez tega nerazumno ukvarjati s sončno energijo, ko si kupujete opremo za proizvodnjo 'sončnega' toka.

Zaradi nepoznavanja lahko ne le izberete neprimerne plošče, ampak jo pri priključitvi tudi preprosto uničite ali pa iz nje pridobite premajhno količino energije.

Najprej se je treba seznaniti z obstoječimi vrstami opreme za sončno energijo. Sončne celice in sončni kolektorji sta dve bistveno različni napravi. Obe pretvarjata energijo sončnih žarkov.

Vendar v prvem primeru potrošnik na izhodu dobi električno energijo, v drugem pa toplotno v obliki segretega nosilca toplote, torej se sončne plošče uporabljajo za ogrevanje doma.

Največji izkoristek sončne plošče boste lahko dosegli le, če veste, kako deluje, iz katerih komponent in sklopov je sestavljena ter kako se vse to pravilno priključuje.

Drugi odtenek je pomen samega izraza »sončna plošča«. Običajno pod besedo »plošča« razumemo neko napravo, ki shranjuje električno energijo. Ali pa nam pride na misel navaden radiator ogrevanja. Vendar je pri sončnih ploščah situacija popolnoma drugačna. One ne shranjujejo ničesar.

Sončna plošča generira enosmerni električni tok. Da bi ga pretvorili v izmeničnega (ki se uporablja v gospodinjstvu), mora biti v shemi prisoten inverter.

Sončne plošče so namenjene izključno za generiranje električnega toka. Ta se nato shranjuje za oskrbo hiše z elektriko ponoči, ko sonce zaide, v dodatno prisotnih akumulatorjih v shemi oskrbe z energijo objekta.

Plošča je tu mišljena v kontekstu neke skupine enakih komponent, sestavljenih v celoto. Pravzaprav je to preprosto plošča iz več enakih fotocelic.

Notranja zgradba sončne baterije

Postopoma sončne plošče postajajo cenejše in učinkovitejše. Zdaj se uporabljajo za polnjenje baterij v uličnih svetilkah, pametnih telefonih, električnih avtomobilih, zasebnih hišah in na satelitih v vesolju. Iz njih so začeli celo graditi polnopravne sončne elektrarne (SE) z velikimi količinami proizvodnje.

Sončna plošča je sestavljena iz številnih fotocelic (fotoelektričnih pretvornikov FEP), ki pretvarjajo energijo fotonov s sonca v električno energijo.

Vsaka sončna baterija je zgrajena kot blok iz določenega števila modulov, ki združujejo zaporedno povezane polprevodniške fotoelemente. Da bi razumeli principe delovanja takšne baterije, je treba razumeti delovanje tega končnega člena v napravi sončne plošče, ustvarjene na osnovi polprevodnikov.

Vrste kristalov fotocelic

Obstaja ogromno variant fotoelementov iz različnih kemičnih elementov. Vendar je večina teh razvojev v začetnih fazah. V industrijskih količinah se trenutno proizvajajo samo paneli iz fotoelementov na osnovi silicija.

Silicijevi polprevodniki se uporabljajo pri izdelavi sončnih baterij zaradi svoje nizke cene, vendar se ne morejo pohvaliti s posebno visokim izkoristkom.

Navadni fotoelement v sončni plošči je tanka ploščica iz dveh plasti silicija, od katerih ima vsaka svoje fizikalne lastnosti. To je klasičen polprevodniški p-n spoj z vrzelmi elektronov.

Ko fotoni zadenejo fotoelement, med plastema polprevodnika zaradi nehomogenosti kristala nastane fotoelektrična napetost, kar povzroči potencialno razliko in tok elektronov.

Silicijeve ploščice fotoelementov se razlikujejo po proizvodni tehnologiji na:

1. Monokristalne.
2. Polikristalne.

Prve imajo višji izkoristek, vendar so tudi proizvodni stroški višji kot pri drugih. Navzven lahko eno različico od druge na sončni plošči ločimo po obliki.

Pri monokristalnih FEP je homogena struktura; izdelani so v obliki kvadratov z obrezanimi vogali. V nasprotju z njimi imajo polikristalni elementi strogo kvadratno obliko.

Polikristali nastanejo s postopnim ohlajanjem staljenega silicija. Ta metoda je izjemno preprosta, zato so takšni fotovoltaični elementi poceni.

Toda njihova zmogljivost pri proizvodnji električne energije iz sončnih žarkov redko presega 15 %. To je povezano z »nečistostjo« pridobljenih silicijevih ploščic in njihovo notranjo strukturo. Tu velja: čistejša je p-plast silicija, višji je izkoristek FEP iz njega.

Čistost monokristalov je v tem pogledu veliko višja kot pri polikristalnih analogih. Izdelujejo jih ne iz staljenega, temveč iz umetno gojenega celega silicijevega kristala. Koeficient fotoelektrične pretvorbe pri takšnih FEP že dosega 20–22 %.

Posamezni fotovoltaični elementi so sestavljeni v skupni modul na aluminijastem okvirju, za zaščito pa so zgoraj prekriti s trpežnim steklom, ki sončnim žarkom nič ne ovira.

Zgornja plast ploščice fotovoltaičnega elementa, obrnjena proti soncu, je narejena iz istega silicija, vendar z dodatkom fosforja. Prav slednji je vir presežnih elektronov v sistemu p-n-spoja.

Pravi preboj na področju uporabe sončne energije je bil razvoj gibljivih panelov z amorfnim fotovoltaičnim silicijem:

Princip delovanja sončne plošče

Ko sončni žarki padejo na fotovoltaični element, v njem nastanejo neravnotežni pari elektronov in vrzeli. Presežni elektroni in »vrzeli« se delno prenašajo skozi p-n-spoj iz ene plasti polprevodnika v drugo.

Posledično se v zunanjem tokokrogu pojavi napetost. Pri tem se na kontaktu p-plasti oblikuje pozitivni pol tokovnega vira, na n-plasti pa negativni pol.

Potencialna razlika (napetost) med kontakti fotocelice nastane zaradi spremembe števila 'lukenj' in elektronov z različnih strani p-n-stika kot posledica obsevanja n-plasti s sončnimi žarki.

Fotocelice, priključene na zunanjo obremenitev v obliki akumulatorja, z njim tvorijo sklenjen krog. Posledično sončna plošča deluje kot nekakšno kolo, po katerem skupaj 'tečejo' veverice in elektroni. Akumulatorska baterija pri tem postopoma polni svoj naboj.

Standardni silicijevi fotovoltaični pretvorniki so enostični elementi. Pretok elektronov v njih poteka samo skozi en p-n-stik z območjem, ki je omejeno glede energije fotonov.

To pomeni, da vsaka taka fotocelica lahko proizvaja električno energijo le iz ozkega spektra sončnega sevanja. Vsa preostala energija se izgubi. Zato je učinkovitost fotovoltaičnih pretvornikov tako nizka.

Da bi povečali izkoristek sončnih baterij, so silicijeve polprevodniške elemente zanje v zadnjem času začeli izdelovati večstične (kaskadne). V novih fotovoltaičnih pretvornikih je stikov že več. Poleg tega je vsak od njih v tej kaskadi zasnovan za svoj spekter sončnih žarkov.

Skupna učinkovitost pretvorbe fotonov v električni tok pri takih fotocelicah se na koncu poveča. Toda njihova cena je precej višja. Tu gre bodisi za preprostost izdelave z nizkimi proizvodnimi stroški in nizkim izkoristkom bodisi za višji donos skupaj z visoko ceno.

Sončna baterija lahko deluje tako poleti kot pozimi (potrebuje svetlobo, ne toplote) – manj kot je oblačnosti in bolj kot sije sonce, več električnega toka bo sončna plošča proizvedla.

Pri delovanju se fotocelica in celotna baterija postopoma segrevata. Vsa tista energija, ki ni šla v proizvodnjo električnega toka, se pretvori v toploto. Pogosto se temperatura na površini sončne plošče dvigne na 50–55 °C. Toda višja kot je, manj učinkovito deluje fotogalvanični element.

Posledično isti model sončne baterije v vročini proizvaja manj toka kot v mrazu. Fotocelice dosegajo največji izkoristek v jasnem zimskem dnevu. Tu vplivata dva dejavnika – veliko sonca in naravno hlajenje.

Pri tem, če bo na ploščo padal sneg, bo še vedno proizvajala električno energijo. Več kot to, snežinke sploh ne bodo uspele prav dolgo ležati na njej, saj se bodo stopile zaradi toplote segretih fotocelic.

Učinkovitost baterij sončnega sistema

Ena fotocelica tudi opoldne ob jasnem vremenu proizvede zelo malo električne energije, dovolj le za delovanje LED-svetilke.

Da bi povečali izhodno moč, več fotovoltaičnih pretvornikov združimo v vzporedno vezavo za povečanje enosmerne napetosti in v zaporedno vezavo za povečanje jakosti toka.

Učinkovitost sončnih panelov je odvisna od:

• temperature zraka in same baterije;
• pravilne izbire upora bremena;
• kot vpadanja sončnih žarkov;
• prisotnosti/odsotnosti protiodsevnega premaza;
• moči svetlobnega toka.

Nižja kot je zunanja temperatura, bolj učinkovito delujejo fotocelice in sončna baterija kot celota. Tukaj je vse preprosto. Pri izračunu obremenitve pa je situacija bolj zapletena. Izbirati jo je treba glede na tok, ki ga panel oddaja. Vendar se njegova vrednost spreminja glede na vremenske dejavnike.

Sončne plošče so izdelane z izračunom na izhodno napetost, ki je večkratnik 12 V – če je treba akumulatorju napajati 24 V, je treba dve plošči nanj priključiti vzporedno.

Nenehno spremljati parametre sončne baterije in ročno prilagajati njeno delovanje je problematično. Za to je bolje uporabiti krmilnik, ki v samodejnem načinu sam prilagaja nastavitve sončne plošče, da bi dosegel največjo zmogljivost in optimalne načine delovanja.

Idealen kot padanja sončnih žarkov na sončno baterijo je pravi. Vendar pri odstopanju do 30 stopinj od pravokotnice učinkovitost plošče pade le za približno 5%. Toda pri nadaljnjem povečevanju tega kota se bo vedno večji delež sončnega sevanja odbijal, s čimer se bo zmanjšal izkoristek fotoelektričnih celic.

Če se od baterije zahteva, da največ energije oddaja poleti, jo je treba usmeriti pravokotno na povprečni položaj Sonca, ki ga zavzema na dni enakonočja spomladi in jeseni.

Za moskovsko regijo je to približno 40–45 stopinj glede na obzorje. Če je maksimum potreben pozimi, je treba ploščo postaviti v bolj navpičen položaj.

In še ena stvar – prah in umazanija močno zmanjšata učinkovitost fotocelic. Fotoni skozi tako 'umazano' oviro preprosto ne dosežejo celic, kar pomeni, da ni ničesar za pretvorbo v električno energijo. Plošče je treba redno umivati ali pa jih postaviti tako, da prah spere dež sam.

Nekatere sončne baterije imajo vgrajene leče za koncentriranje sevanja na fotoelektrične celice. Ob jasnem vremenu to vodi do povečanja izkoristka. Vendar pri močni oblačnosti te leče prinašajo le škodo.

Če bo običajna plošča v takšni situaciji še naprej proizvajala tok, čeprav v manjših količinah, bo lečni model praktično popolnoma prenehal delovati.

Sonce naj bi v idealnem primeru enakomerno osvetljevalo baterijo iz fotocelic. Če je eno od njenih območij zasenčeno, neosvetljene fotoelektrične celice postanejo parazitna obremenitev. V takšni situaciji ne le da ne proizvajajo energije, ampak jo celo jemljejo delujočim elementom.

Plošče je treba namestiti tako, da na poti sončnih žarkov ne bo dreves, zgradb ali drugih ovir.

Shema oskrbe hiše z elektriko iz sonca

Sistem sončnega električnega napajanja vključuje:

1. Sončne plošče.
2. Krmilnik.
3. Akumulatorji.
4. Inverter (transformator).

Krmilnik v tej shemi ščiti tako sončne celice kot akumulatorje. Po eni strani preprečuje povratne tokove ponoči in v oblačnem vremenu, po drugi strani pa ščiti akumulatorje pred prekomernim polnjenjem/praznjenjem.

Akumulatorske baterije za sončne panele je treba izbrati enake po starosti in zmogljivosti, sicer bo polnjenje/praznjenje potekalo neenakomerno, kar bo povzročilo močno skrajšanje njihove življenjske dobe.

Za pretvorbo enosmernega toka 12, 24 ali 48 voltov v izmenični 220-voltni potrebujete inverter. Avtomobilskih akumulatorjev v takšni shemi ne priporočamo, ker ne prenesejo pogostih ponovnih polnjenj. Najbolje je, da odštejete denar in kupite posebne gel AGM ali zalivne OPzS akumulatorje.

Zaključki in koristen video na to temo

Načela delovanja in sheme povezovanja sončnih celic niso preveč zapletena za razumevanje. S spodaj zbranimi video materiali pa bo še lažje razumeti vse podrobnosti delovanja in namestitve sončnih panelov.

Dostopno in razumljivo, kako deluje fotovoltaična sončna celica, v vseh podrobnostih:

Kako so zgrajene sončne celice, si oglejte v naslednjem videu:

Sestavljanje sončnega panela iz foto elementov z lastnimi rokami:

Vsak element v sistemu sončnega oskrbovanja z elektriko hiše mora biti izbran strokovno. Neizogibne izgube moči nastajajo na akumulatorjih, transformatorjih in krmilniku. In te je treba zmanjšati na minimum, sicer se bo že tako nizka učinkovitost sončnih panelov zmanjšala na nič.

So se med preučevanjem gradiva pojavila vprašanja? Ali pa veste kakšno dragoceno informacijo o temi članka in jo lahko sporočite našim bralcem? Prosimo, pustite svoje komentarje v spodnjem bloku.