Het werkingsprincipe van een zonnebatterij: hoe een zonnepaneel werkt en werkt

Het effectief omzetten van vrije zonnestralen in energie die kan worden gebruikt om huizen en andere voorzieningen van stroom te voorzien, is de gekoesterde droom van veel voorstanders van groene energie.

Maar het werkingsprincipe van de zonnebatterij en de efficiëntie ervan zijn zodanig dat het nog niet nodig is om over het hoge rendement van dergelijke systemen te praten. Het zou fijn zijn om over een eigen extra elektriciteitsbron te beschikken. Is het niet? Bovendien wordt zelfs vandaag de dag in Rusland met behulp van zonnepanelen een aanzienlijk aantal particuliere huishoudens met succes van ‘gratis’ elektriciteit voorzien. Weet je nog steeds niet waar je moet beginnen?

Hieronder vertellen wij u over het ontwerp en de werkingsprincipes van een zonnepaneel; u leert waar het rendement van een zonnesysteem van afhangt. En de video's in het artikel helpen u met uw eigen handen een zonnepaneel uit fotocellen te monteren.

Zonnepanelen: terminologie

Er zijn nogal wat nuances en verwarring in het onderwerp “zonne-energie”. Voor beginners is het in het begin vaak moeilijk om alle onbekende termen te begrijpen. Maar zonder dit is het onredelijk om deel te nemen aan zonne-energie en apparatuur aan te schaffen voor het opwekken van "zonnestroom".

Onbewust kun je niet alleen het verkeerde paneel kiezen, maar het bij het aansluiten ook simpelweg verbranden of er te weinig energie uit halen.

Eerst moet u de bestaande soorten apparatuur voor zonne-energie begrijpen. Zonnepanelen en zonnecollectoren zijn twee fundamenteel verschillende apparaten. Beiden zetten de energie van de zonnestralen om.

In het eerste geval ontvangt de consument echter elektrische energie aan de uitgang, en in het tweede geval thermische energie in de vorm van een verwarmd koelmiddel, d.w.z. zonnepanelen worden gebruikt verwarming van huis.

Het maximale rendement uit een zonnepaneel haal je alleen als je weet hoe het werkt, uit welke componenten en samenstellingen het bestaat en hoe het allemaal op de juiste manier is aangesloten

De tweede nuance is het concept van de term ‘zonnebatterij’. Meestal verwijst het woord ‘batterij’ naar een soort elektrisch opslagapparaat. Of ik denk aan een banale verwarmingsradiator. In het geval van zonnebatterijen is de situatie echter radicaal anders. Ze verzamelen niets in zichzelf.

Het zonnepaneel genereert een constante elektrische stroom. Om het om te zetten naar variabel (gebruikt in het dagelijks leven), moet er een omvormer in het circuit aanwezig zijn

Zonnepanelen zijn uitsluitend ontworpen om elektrische stroom op te wekken. Het wordt op zijn beurt verzameld om het huis 's nachts, wanneer de zon onder de horizon zakt, van elektriciteit te voorzien, al in de batterijen die bovendien aanwezig zijn in het energievoorzieningscircuit van de faciliteit.

De batterij is hier bedoeld in de context van een bepaalde reeks vergelijkbare componenten die tot één geheel zijn samengevoegd. In feite is het slechts een paneel van meerdere identieke fotocellen.

Interne structuur van een zonnebatterij

Geleidelijk aan worden zonnepanelen goedkoper en efficiënter.Ze worden nu gebruikt om batterijen op te laden in straatlantaarns, smartphones, elektrische auto's, particuliere woningen en op satellieten in de ruimte. Ze begonnen zelfs volwaardige zonne-energiecentrales (SPP's) met grote opwekkingsvolumes te bouwen.

Een zonnebatterij bestaat uit veel fotocellen (foto-elektrische omzetters) die de energie van fotonen van de zon omzetten in elektriciteit

Elke zonnebatterij is ontworpen als een blok van een bepaald aantal modules, die in serie geschakelde halfgeleiderfotocellen combineren. Om de werkingsprincipes van een dergelijke batterij te begrijpen, is het noodzakelijk om de werking van deze laatste schakel in het zonnepaneelapparaat, gecreëerd op basis van halfgeleiders, te begrijpen.

Soorten fotocelkristallen

Er zijn een groot aantal FEP-opties gemaakt van verschillende chemische elementen. De meeste daarvan zijn echter ontwikkelingen in de beginfase. Tot nu toe worden momenteel alleen panelen gemaakt van op silicium gebaseerde fotovoltaïsche cellen op industriële schaal geproduceerd.

Siliciumhalfgeleiders worden gebruikt bij de vervaardiging van zonnecellen vanwege hun lage kosten; ze kunnen niet bogen op een bijzonder hoog rendement

Een typische fotocel in een zonnepaneel is een dunne wafer van twee lagen silicium, die elk hun eigen fysieke eigenschappen hebben. Dit is een klassieke pn-overgang van halfgeleiders met elektron-gatparen.

Wanneer fotonen de fotovoltaïsche cel tussen deze halfgeleiderlagen raken, wordt vanwege de inhomogeniteit van het kristal een poort-foto-EMF gevormd, wat resulteert in een potentiaalverschil en een elektronenstroom.

Siliciumwafels van zonnecellen verschillen qua productietechnologie in:

1. Monokristallijn.
2. Polykristallijn.

De eerste hebben een hogere efficiëntie, maar de productiekosten zijn hoger dan die van de laatste. Uiterlijk is de ene optie op een zonnepaneel van de andere te onderscheiden door de vorm.

Monokristallijne zonnecellen hebben een homogene structuur; ze zijn gemaakt in de vorm van vierkanten met afgesneden hoeken. Polykristallijne elementen hebben daarentegen een strikt vierkante vorm.

Polykristallen worden verkregen door geleidelijke afkoeling van gesmolten silicium. Deze methode is uiterst eenvoudig en daarom zijn dergelijke fotocellen goedkoop.

Maar hun productiviteit in termen van het opwekken van elektriciteit uit zonnestralen overschrijdt zelden de 15%. Dit komt door de “onzuiverheid” van de resulterende siliciumwafels en hun interne structuur. Hier geldt: hoe zuiverder de p-siliciumlaag, hoe hoger de efficiëntie van de zonnecel ervan.

De zuiverheid van enkele kristallen is in dit opzicht veel hoger dan die van polykristallijne analogen. Ze zijn niet gemaakt van gesmolten, maar van kunstmatig gegroeid vast siliciumkristal. De foto-elektrische conversiecoëfficiënt van dergelijke zonnecellen bereikt al 20-22%.

Individuele fotocellen zijn samengevoegd tot een gemeenschappelijke module op een aluminium frame en om ze te beschermen zijn ze bovenop bedekt met duurzaam glas, dat op geen enkele manier de zonnestralen hindert

De naar de zon gerichte bovenste laag van de fotocelplaat is gemaakt van hetzelfde silicium, maar met toevoeging van fosfor. Het is deze laatste die de bron zal zijn van overtollige elektronen in het pn-overgangssysteem.

Een echte doorbraak op het gebied van zonne-energie was de ontwikkeling van flexibele panelen met amorf fotovoltaïsch silicium:

Werkingsprincipe van zonnepaneel

Wanneer zonlicht op een fotocel valt, worden daarin elektronen-gatparen gegenereerd die niet in evenwicht zijn. Overtollige elektronen en gaten worden gedeeltelijk via de pn-overgang overgedragen van de ene laag van de halfgeleider naar de andere.

Als gevolg hiervan verschijnt er spanning in het externe circuit. In dit geval wordt een positieve pool van de stroombron gevormd bij het contact van de p-laag, en een negatieve pool bij de n-laag.

Het potentiaalverschil (spanning) tussen de contacten van de fotocel verschijnt als gevolg van een verandering in het aantal "gaten" en elektronen aan verschillende zijden van de p-n-overgang als gevolg van bestraling van de n-laag met zonnestralen

Fotocellen aangesloten op een externe belasting in de vorm van een batterij vormen daarmee een vicieuze cirkel. Hierdoor werkt het zonnepaneel als een soort wiel waarlangs elektronen tussen eiwitten ‘samen’ ‘lopen’. En de batterij wint geleidelijk aan lading.

Standaard fotovoltaïsche siliciumconverters zijn cellen met één junctie.De stroom van elektronen daarin vindt alleen plaats via één p-n-overgang met een zone van deze overgang die beperkt is in fotonenenergie.

Dat wil zeggen dat elke fotocel alleen elektriciteit kan opwekken uit een smal spectrum van zonnestraling. Alle andere energie gaat verloren. Daarom is het rendement van FEP zo laag.

Om de efficiëntie van zonnecellen te vergroten, zijn silicium halfgeleiderelementen onlangs begonnen met het maken van multijunctie (cascade). Er zijn al meerdere transities in de nieuwe zonnecellen. Bovendien is elk van hen in deze cascade ontworpen voor zijn eigen spectrum van zonlicht.

De totale efficiëntie van het omzetten van fotonen in elektrische stroom voor dergelijke fotocellen neemt uiteindelijk toe. Maar hun prijs is veel hoger. Hier gaat het om ofwel gemak van productie met lage kosten en lage efficiëntie, ofwel een hoger rendement in combinatie met hoge kosten.

Het zonnepaneel kan zowel in de zomer als in de winter werken (het heeft licht nodig, geen warmte) - hoe minder bewolkt en hoe helderder de zon schijnt, hoe meer elektrische stroom het zonnepaneel zal genereren

Tijdens bedrijf worden de fotocel en de gehele batterij geleidelijk warm. Alle energie die niet werd gebruikt om elektrische stroom op te wekken, wordt omgezet in warmte. Vaak loopt de temperatuur aan het oppervlak van het zonnepaneel op tot 50–55 °C. Maar hoe hoger het is, hoe minder efficiënt de fotovoltaïsche cel werkt.

Als gevolg hiervan genereert hetzelfde model zonnebatterij minder stroom bij warm weer dan bij koud weer. Fotocellen tonen maximale efficiëntie op een heldere winterdag. Er spelen hier twee factoren: veel zon en natuurlijke koeling.

Als er sneeuw op het paneel valt, blijft het bovendien nog steeds elektriciteit opwekken.Bovendien zullen de sneeuwvlokken niet eens de tijd hebben om er veel op te liggen, omdat ze zijn gesmolten door de hitte van de verwarmde fotocellen.

Efficiëntie van zonnebatterijen

Eén fotocel produceert, zelfs 's middags bij helder weer, heel weinig elektriciteit, slechts voldoende om een ​​LED-zaklamp te laten werken.

Om het uitgangsvermogen te vergroten worden meerdere zonnecellen gecombineerd in een parallel circuit om de gelijkspanning te verhogen en in een serieschakeling om de stroom te verhogen.

Het rendement van zonnepanelen is afhankelijk van:

• temperatuur van de lucht en de batterij zelf;
• juiste selectie van belastingsweerstand;
• hoek van inval van zonlicht;
• aanwezigheid/afwezigheid van antireflectiecoating;
• lichtstroom vermogen.

Hoe lager de buitentemperatuur, hoe efficiënter de fotocellen en de zonnebatterij als geheel werken. Alles is hier eenvoudig. Maar bij belastingberekening is de situatie ingewikkelder. Deze moet worden geselecteerd op basis van de stroom die door het paneel wordt geleverd. Maar de waarde ervan varieert afhankelijk van weersfactoren.

Zonnepanelen worden geproduceerd met een uitgangsspanning die een veelvoud is van 12 V - als er 24 V aan de accu geleverd moet worden, dan zullen er twee panelen parallel op aangesloten moeten worden

Het voortdurend monitoren van de parameters van een zonnebatterij en het handmatig aanpassen van de werking ervan is problematisch. Hiervoor is het beter om te gebruiken controle-controller, die automatisch de instellingen van het zonnepaneel aanpast om er maximale prestaties en optimale bedrijfsmodi uit te halen.

De ideale invalshoek van de zonnestralen op een zonnebatterij is recht. Als de afwijking echter binnen 30 graden ten opzichte van de loodlijn ligt, daalt de efficiëntie van het paneel met slechts ongeveer 5%.Maar bij een verdere vergroting van deze hoek zal een steeds groter deel van de zonnestraling worden gereflecteerd, waardoor het rendement van de zonnecel afneemt.

Als de batterij in de zomer maximale energie moet produceren, moet deze loodrecht op de gemiddelde positie van de zon worden geplaatst, die deze inneemt tijdens de equinoxen in de lente en de herfst.

Voor de regio Moskou is dit ongeveer 40-45 graden tot aan de horizon. Als in de winter het maximale nodig is, moet het paneel in een meer verticale positie worden geplaatst.

En nog één ding: stof en vuil verminderen de prestaties van fotocellen aanzienlijk. Fotonen bereiken ze eenvoudigweg niet via zo’n ‘vuile’ barrière, wat betekent dat er niets is om in elektriciteit om te zetten. De panelen moeten regelmatig worden gewassen of zo worden geplaatst dat het stof vanzelf wordt weggespoeld door de regen.

Sommige zonnepanelen hebben ingebouwde lenzen om de straling op de zonnecel te concentreren. Bij helder weer leidt dit tot een grotere efficiëntie. Bij zware bewolking veroorzaken deze lenzen echter alleen maar schade.

Als een conventioneel paneel in een dergelijke situatie stroom blijft genereren, zij het in kleinere volumes, stopt het lensmodel vrijwel volledig met werken.

Idealiter zou de zon een batterij fotocellen gelijkmatig moeten verlichten. Als een van de secties verduisterd blijkt te zijn, veranderen de onverlichte zonnecellen in een parasitaire belasting. Ze wekken in een dergelijke situatie niet alleen geen energie op, maar onttrekken deze ook aan de werkende elementen.

De panelen moeten zo worden geïnstalleerd dat er geen bomen, gebouwen of andere obstakels in de baan van de zonnestralen staan.

Huis zonne-energievoorziening diagram

Het zonne-energievoorzieningssysteem omvat:

1. Zonnepanelen.
2. Controleur.
3. Batterijen.
4. Omvormer (transformator).

De controller in dit circuit beschermt zowel de zonnepanelen als de batterijen. Enerzijds voorkomt het de stroom van tegenstromen 's nachts en bij bewolkt weer, en anderzijds beschermt het de accu's tegen overmatig opladen/ontladen.

Oplaadbare batterijen voor zonnepanelen moeten qua leeftijd en capaciteit hetzelfde worden geselecteerd, anders zal het opladen/ontladen ongelijkmatig plaatsvinden, wat zal leiden tot een sterke verkorting van de levensduur

Om gelijkstroom van 12, 24 of 48 volt om te zetten in wisselstroom 220 volt heb je nodig omvormer. Autoaccu's worden niet aanbevolen voor gebruik in een dergelijk circuit, omdat ze niet bestand zijn tegen veelvuldig opladen. Het is het beste om geld uit te geven en speciale helium-AGM- of ondergelopen OPzS-batterijen te kopen.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Bedrijfsprincipes en aansluitschema's voor zonnepanelen niet zo moeilijk om te begrijpen. En met het videomateriaal dat we hieronder hebben verzameld, wordt het nog gemakkelijker om alle fijne kneepjes van de werking en installatie van zonnepanelen te begrijpen.

Het is toegankelijk en begrijpelijk hoe een fotovoltaïsche zonnebatterij werkt, in al zijn details:

Bekijk in de volgende video hoe zonnepanelen werken:

DIY-montage van zonnepanelen met fotocellen:

Elk element erin zonne-energie systeem huisje moet correct worden gekozen. Er treden onvermijdelijk vermogensverliezen op in de batterijen, transformatoren en controller. En die moeten tot een minimum worden beperkt, anders wordt het toch al vrij lage rendement van zonnepanelen tot nul teruggebracht.

Heeft u vragen gehad tijdens het bestuderen van de stof? Of kent u waardevolle informatie over het onderwerp van het artikel en kunt u deze delen met onze lezers? Laat uw opmerkingen achter in het onderstaande blok.