Αρχή λειτουργίας της ηλιακής συστοιχίας: πώς είναι δομημένο και λειτουργεί το ηλιακό πάνελ

Η αποτελεσματική μετατροπή των δωρεάν ηλιακών ακτίνων σε ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ηλεκτροδότηση κατοικιών και άλλων εγκαταστάσεων είναι το όνειρο πολλών υποστηρικτών της πράσινης ενέργειας.

Όμως η αρχή λειτουργίας της ηλιακής συστοιχίας και η απόδοσή της είναι τέτοια που δεν μπορεί ακόμη να γίνεται λόγος για υψηλή αποδοτικότητα τέτοιων συστημάτων. Θα ήταν ωραίο να αποκτήσετε μια δική σας πρόσθετη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Δεν είναι έτσι; Πολύ περισσότερο που ήδη σήμερα και στη Ρωσία, με τη βοήθεια των ηλιακών πάνελ, ένας μεγάλος αριθμός ιδιωτικών νοικοκυριών τροφοδοτείται με επιτυχία με «δωρεάν» ηλεκτρική ενέργεια. Εσείς ακόμα δεν γνωρίζετε από πού να ξεκινήσετε;

Παρακάτω θα σας πούμε για τη δομή και τις αρχές λειτουργίας του ηλιακού πάνελ, θα μάθετε από τι εξαρτάται η απόδοση του ηλιακού συστήματος. Και τα βίντεο που έχουν τοποθετηθεί στο άρθρο θα σας βοηθήσουν να συναρμολογήσετε μόνοι σας ένα ηλιακό πάνελ από φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Ηλιακές συστοιχίες: ορολογία

Στη θεματική της «ηλιακής ενέργειας» υπάρχουν αρκετές λεπτομέρειες και σύγχυση. Συχνά είναι δύσκολο για τους αρχάριους να κατανοήσουν αρχικά όλους τους άγνωστους όρους. Αλλά χωρίς αυτό, είναι παράλογο να ασχοληθεί κανείς με την ηλιακή ενέργεια αγοράζοντας εξοπλισμό παραγωγής «ηλιακού» ρεύματος.

Από άγνοια μπορεί κανείς όχι μόνο να επιλέξει ένα ακατάλληλο πάνελ, αλλά και απλώς να το κάψει κατά τη σύνδεση ή να εξάγει από αυτό πολύ μικρή ποσότητα ενέργειας.

Αρχικά, πρέπει να κατανοήσουμε τις υπάρχουσες ποικιλίες εξοπλισμού ηλιακής ενέργειας. Τα ηλιακά πάνελ και οι ηλιακοί συλλέκτες είναι δύο θεμελιωδώς διαφορετικές συσκευές. Και οι δύο μετατρέπουν την ενέργεια των ηλιακών ακτίνων.

Ωστόσο, στην πρώτη περίπτωση ο καταναλωτής λαμβάνει ηλεκτρική ενέργεια, ενώ στη δεύτερη θερμική ενέργεια υπό μορφή θερμαινόμενου μέσου μεταφοράς, δηλαδή τα ηλιακά πάνελ χρησιμοποιούνται για θέρμανση σπιτιού.

Η μέγιστη απόδοση από το ηλιακό πάνελ μπορεί να επιτευχθεί μόνο αν γνωρίζουμε πώς λειτουργεί, από ποια εξαρτήματα και μονάδες αποτελείται και πώς συνδέονται όλα αυτά σωστά.

Η δεύτερη λεπτομέρεια είναι η έννοια του ίδιου του όρου «ηλιακή μπαταρία». Συνήθως με τη λέξη «μπαταρία» εννοείται μια συσκευή που αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια. Ή έρχεται στο μυαλό ένα κοινό καλοριφέρ. Ωστόσο, στην περίπτωση των ηλιακών μπαταριών, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Δεν αποθηκεύουν τίποτα μέσα τους.

Το ηλιακό πάνελ παράγει συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Για να το μετατρέψει σε εναλλασσόμενο (που χρησιμοποιείται στην οικιακή χρήση), το κύκλωμα πρέπει να περιλαμβάνει έναν μετατροπέα.

Τα ηλιακά πάνελ προορίζονται αποκλειστικά για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτό, με τη σειρά του, αποθηκεύεται για την τροφοδοσία του σπιτιού με ηλεκτρισμό τη νύχτα, όταν ο ήλιος δύει, στις μπαταρίες που υπάρχουν επιπλέον στο σύστημα παροχής ενέργειας του κτιρίου.

Η μπαταρία εδώ νοείται ως ένα σύνολο ομοιότυπων εξαρτημάτων που συναρμολογούνται σε ένα ενιαίο σύνολο. Στην πραγματικότητα είναι απλώς ένα πάνελ από πολλά ίδια φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Εσωτερική δομή της ηλιακής συστοιχίας

Σταδιακά, τα ηλιακά πάνελ γίνονται φθηνότερα και αποδοτικότερα. Τώρα χρησιμοποιούνται για τη φόρτιση μπαταριών σε φώτα δρόμου, smartphones, ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ιδιωτικές κατοικίες και δορυφόρους στο διάστημα. Ακόμα και ολόκληροι ηλιακοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας (ΗΣΠΕ) με μεγάλους όγκους παραγωγής κατασκευάζονται από αυτά.

Η ηλιακή μπαταρία αποτελείται από πολλά φωτοστοιχεία (φωτοηλεκτρικοί μετατροπείς ΦΕΠ), που μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων από τον ήλιο σε ηλεκτρική ενέργεια.

Κάθε ηλιακό πάνελ είναι διαρθρωμένο ως ένα μπλοκ από έναν αριθμό μονάδων, οι οποίες συνδυάζουν εν σειρά συνδεδεμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία ημιαγωγού. Για να κατανοήσουμε τις αρχές λειτουργίας ενός τέτοιου πάνελ, πρέπει να εξετάσουμε τη λειτουργία αυτού του τελικού κρίκου στη διάταξη του ηλιοπάνελ, που βασίζεται σε ημιαγωγούς.

Είδη κρυστάλλων φωτοβολταϊκών στοιχείων

Υπάρχει τεράστιος αριθμός παραλλαγών φωτοβολταϊκών στοιχείων από διαφορετικά χημικά στοιχεία. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος τους βρίσκεται σε αρχικά στάδια ανάπτυξης. Σε βιομηχανική κλίμακα, προς το παρόν παράγονται μόνο πάνελ από φωτοβολταϊκά στοιχεία με βάση το πυρίτιο.

Οι ημιαγωγοί πυριτίου χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ηλιακών πάνελ λόγω του χαμηλού κόστους τους, αλλά δεν μπορούν να υπερηφανεύονται για ιδιαίτερα υψηλή απόδοση.

Ένα συνηθισμένο φωτοβολταϊκό στοιχείο σε ένα ηλιοπάνελ είναι μια λεπτή πλάκα από δύο στρώματα πυριτίου, καθένα από τα οποία έχει τις δικές του φυσικές ιδιότητες. Πρόκειται για μια κλασική ημιαγωγική επαφή p-n με ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών.

Όταν φωτόνια πέφτουν στο φωτοβολταϊκό στοιχείο, μεταξύ αυτών των στρωμάτων ημιαγωγού, λόγω της ανομοιογένειας του κρυστάλλου, δημιουργείται μια φωτοηλεκτρεγερτική δύναμη βαλβίδας, με αποτέλεσμα μια διαφορά δυναμικού και ροή ηλεκτρονίων.

Οι πλάκες πυριτίου των φωτοβολταϊκών στοιχείων διακρίνονται ανάλογα με την τεχνολογία κατασκευής σε:

1. Μονοκρυσταλλικές.
2. Πολυκρυσταλλικές.

Οι πρώτες έχουν υψηλότερη απόδοση, αλλά το κόστος παραγωγής τους είναι υψηλότερο από των δεύτερων. Εξωτερικά, η μία παραλλαγή μπορεί να διακριθεί από την άλλη σε ένα ηλιακό πάνελ από το σχήμα.

Στα μονοκρυσταλλικά ΦΒ στοιχεία η δομή είναι ομοιογενής, κατασκευάζονται σε σχήμα τετραγώνων με κομμένες γωνίες. Σε αντίθεση, τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία έχουν αυστηρά τετράγωνη μορφή.

Τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία προκύπτουν από τη σταδιακή ψύξη του λιωμένου πυριτίου. Αυτή η μέθοδος είναι εξαιρετικά απλή, γι' αυτό τέτοια φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν κοστίζουν πολύ.

Ωστόσο, η απόδοσή τους όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τις ηλιακές ακτίνες σπάνια υπερβαίνει το 15%. Αυτό οφείλεται στην «ακαθαρσία» των λαμβανόμενων πλακών πυριτίου και στην εσωτερική τους δομή. Εδώ, όσο καθαρότερο είναι το p-στρώμα του πυριτίου, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση των ΦΒ στοιχείων που προκύπτουν.

Η καθαρότητα των μονοκρυστάλλων από αυτή την άποψη είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των πολυκρυσταλλικών αναλόγων. Κατασκευάζονται όχι από λιωμένο, αλλά από τεχνητά αναπτυγμένο ολόκληρο κρύσταλλο πυριτίου. Ο συντελεστής φωτοβολταϊκής μετατροπής για τέτοια ΦΒ στοιχεία φτάνει ήδη το 20-22%.

Σε ένα γενικό δομοστοιχείο, τα επιμέρους φωτοβολταϊκά στοιχεία συναρμολογούνται σε ένα πλαίσιο αλουμινίου και για την προστασία τους καλύπτονται από πάνω με ανθεκτικό γυαλί, το οποίο δεν εμποδίζει καθόλου τις ηλιακές ακτίνες.

Το ανώτερο στρώμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου που βλέπει προς τον ήλιο είναι κατασκευασμένο από το ίδιο πυρίτιο, αλλά με την προσθήκη φωσφόρου. Αυτός είναι η πηγή των περίσσιων ηλεκτρονίων στο σύστημα της επαφής p-n.

Πραγματική επανάσταση στον τομέα της χρήσης ηλιακής ενέργειας αποτέλεσε η ανάπτυξη εύκαμπτων πάνελ με άμορφο φωτοβολταϊκό πυρίτιο:

Αρχή λειτουργίας του ηλιακού πάνελ

Όταν οι ηλιακές ακτίνες πέφτουν στο φωτοβολταϊκό στοιχείο, δημιουργούνται μη ισορροπημένα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Τα περίσσια ηλεκτρόνια και οι «οπές» μεταφέρονται εν μέρει μέσω της επαφής p-n από το ένα στρώμα του ημιαγωγού στο άλλο.

Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται τάση στο εξωτερικό κύκλωμα. Σε αυτή την περίπτωση, στην επαφή του p-στρώματος σχηματίζεται ο θετικός πόλος της πηγής ρεύματος, και στο n-στρώμα ο αρνητικός.

Η διαφορά δυναμικού (τάση) μεταξύ των επαφών του φωτοστοιχείου εμφανίζεται λόγω της αλλαγής του αριθμού των «οπών» και ηλεκτρονίων από τις διαφορετικές πλευρές της p-n-επαφής ως αποτέλεσμα ακτινοβόλησης του n-στρώματος από ηλιακές ακτίνες.

Φωτοστοιχεία συνδεδεμένα σε εξωτερικό φορτίο με τη μορφή μπαταρίας σχηματίζουν έναν κλειστό κύκλο. Ως αποτέλεσμα, το ηλιακό πάνελ λειτουργεί σαν ένας τροχός πάνω στον οποίο τα ηλεκτρόνια «τρέχουν» μάζί σαν σκίουροι. Η μπαταρία συσσωρεύει σταδιακά φορτίο.

Οι τυπικοί φωτοβολταϊκοί μετατροπείς πυριτίου είναι στοιχεία μίας επαφής (single-junction). Η ροή ηλεκτρονίων σε αυτά γίνεται μόνο μέσω μιας p-n-επαφής με περιορισμένη ζώνη ενέργειας φωτονίων αυτής της επαφής.

Δηλαδή, κάθε τέτοιο φωτοστοιχείο μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια μόνο από ένα στενό φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας. Όλη η υπόλοιπη ενέργεια χάνεται άσκοπα. Γι' αυτό η απόδοση των ΦΒ είναί τόσο χαμηλή.

Για να αυξηθεί η απόδοση των ηλιακών μπαταριών, τα στοιχεία ημιαγωγών πυριτίου για αυτές κατασκευάζονται πρόσφατα πολλαπλών επαφών (καταρράκτη). Στα νέα ΦΒ υπάρχουν πλέον αρκετές επαφές. Κάθε μία από αυτές σε αυτόν τον καταρράκτη είναι σχεδιασμένη για το δικό της φάσμα ηλιακών ακτίνων.

Η συνολική απόδοση μετατροπής φωτονίων σε ηλεκτρικό ρεύμα σε τέτοια φωτοστοιχεία τελικά αυξάνεται. Αλλά και η τιμή τους είναι σημαντικά υψηλότερη. Εδώ είτε έχουμε απλότητα κατασκευής με χαμηλό κόστος και χαμηλή απόδοση, είτε υψηλότερη απόδοση μαζί με υψηλό κόστος.

Η ηλιακή μπαταρία μπορεί να λειτουργεί τόσο το καλοκαίρι όσο και τον χειμώνα (χρειάζεται φως, όχι θερμότητα) – όσο λιγότερη συννεφιά και πιο λαμπερός ήλιος, τόσο περισσότερο ηλιακό πάνελ θα παράγει ηλεκτρικό ρεύμα.

Κατά τη λειτουργία, το φωτοστοιχείο και ολόκληρη η μπαταρία θερμαίνονται σταδιακά. Όλη η ενέργεια που δεν χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μετατρέπεται σε θερμότητα. Συχνά η θερμοκρασία στην επιφάνεια του ηλιακού πάνελ ανεβαίνει στους 50–55 °C. Αλλά όσο υψηλότερη είναι, τόσο λιγότερο αποτελεσματικά λειτουργεί το φωτοβολταϊκό στοιχείο.

Ως αποτέλεσμα, το ίδιο μοντέλο ηλιακής μπαταρίας στη ζέστη παράγει λιγότερο ρεύμα από ό,τι στο κρύο. Η μέγιστη απόδοση των φωτοστοιχείων επιτυγχάνεται σε μια καθαρή χειμωνιάτικη μέρα. Εδώ παίζουν ρόλο δύο παράγοντες – πολύς ήλιος και φυσική ψύξη.

Επιπλέον, αν χιονίσει στο πάνελ, θα συνεχίσει να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Επιπλέον, οι νιφάδες χιονιού δεν θα έχουν χρόνο να μείνουν πάνω του, λιώνοντας από τη θερμότητα των θερμαινόμενων φωτοστοιχείων.

Απόδοση των συστοιχιών του ηλιακού συστήματος

Ένα φωτοστοιχείο ακόμα και το μεσημέρι με καθαρό καιρό παράγει πολύ λίγη ηλεκτρική ενέργεια, αρκετή μόνο για τη λειτουργία ενός φαναριού LED.

Για να αυξηθεί η ισχύς εξόδου, πολλά ΦΒ συνδυάζονται σε παράλληλη διάταξη για αύξηση της σταθερής τάσης και σε σειρά για αύξηση της έντασης ρεύματος.

Η απόδοση των ηλιακών πάνελ εξαρτάται από:

• τη θερμοκρασία του αέρα και της ίδιας της μπαταρίας·
• την ορθή επιλογή αντίστασης φορτίου·
• γωνίας πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων·
• ύπαρξης/απουσίας αντιθαμβωτικής επικάλυψης·
• ισχύος φωτεινής ροής.

Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία έξω, τόσο πιο αποτελεσματικά λειτουργούν τα φωτοβολταϊκά στοιχεία και το ηλιακό πάνελ συνολικά. Εδώ όλα είναι απλά. Αλλά με τον υπολογισμό του φορτίου η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη. Πρέπει να επιλέγεται με βάση το ρεύμα που παράγει το πάνελ. Αλλά η τιμή του αλλάζει ανάλογα με τους καιρικούς παράγοντες.

Τα ηλιακά πάνελ κατασκευάζονται με τάση εξόδου πολλαπλάσια των 12 V – εάν στην μπαταρία πρέπει να δοθούν 24 V, τότε δύο πάνελ θα πρέπει να συνδεθούν παράλληλα.

Το να παρακολουθείτε συνεχώς τις παραμέτρους της ηλιακής μπαταρίας και να διορθώνετε χειροκίνητα τη λειτουργία της είναι προβληματικό. Για αυτό, είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε έναν ελεγκτή διαχείρισης, ο οποίος αυτόματα προσαρμόζει τις ρυθμίσεις του ηλιακού πάνελ για να επιτύχει τη μέγιστη απόδοση και τις βέλτιστες λειτουργίες.

Η ιδανική γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στο ηλιακό πάνελ είναι κάθετη. Ωστόσο, με απόκλιση εντός 30 μοιρών από την κάθετο, η απόδοση του πάνελ μειώνεται μόνο κατά περίπου 5%. Αλλά με περαιτέρω αύξηση αυτής της γωνίας, ένα μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας θα ανακλάται, μειώνοντας έτσι την απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων.

Εάν απαιτείται από την μπαταρία να παράγει τη μέγιστη ενέργεια το καλοκαίρι, τότε θα πρέπει να προσανατολιστεί κάθετα στη μέση θέση του Ήλιου, την οποία καταλαμβάνει κατά τις ημέρες της εαρινής και φθινοπωρινής ισημερίας.

Για την περιοχή της Μόσχας – αυτό είναι περίπου 40–45 μοίρες προς τον ορίζοντα. Εάν το μέγιστο χρειάζεται τον χειμώνα, τότε το πάνελ πρέπει να τοποθετηθεί σε πιο κάθετη θέση.

Και ένα ακόμα σημείο – η σκόνη και η βρωμιά μειώνουν σημαντικά την απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Τα φωτόνια μέσα από ένα τέτοιο «βρώμικο» εμπόδιο απλά δεν φτάνουν σε αυτά, και επομένως δεν υπάρχει τίποτα να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα πάνελ πρέπει να πλένονται τακτικά ή να τοποθετούνται έτσι ώστε η σκόνη να ξεπλένεται μόνη της από τη βροχή.

Ορισμένες ηλιακές μπαταρίες διαθέτουν ενσωματωμένους φακούς για συγκέντρωση της ακτινοβολίας στα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Σε καθαρό καιρό, αυτό οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης. Ωστόσο, σε έντονη συννεφιά, αυτοί οι φακοί προκαλούν μόνο βλάβη.

Εάν ένα συνηθισμένο πάνελ σε τέτοια κατάσταση συνεχίσει να παράγει ρεύμα, έστω και σε μικρότερες ποσότητες, το μοντέλο με φακούς θα σταματήσει να λειτουργεί σχεδόν εντελώς.

Ιδανικά, ο Ήλιος πρέπει να φωτίζει ομοιόμορφα την μπαταρία από φωτοβολταϊκά στοιχεία. Εάν ένα τμήμα της είναι σκιασμένο, τα μη φωτισμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία μετατρέπονται σε παρασιτικό φορτίο. Όχι μόνο δεν παράγουν ενέργεια σε αυτή την κατάσταση, αλλά την αφαιρούν και από τα λειτουργούντα στοιχεία.

Τα πάνελ πρέπει να εγκαθίστανται έτσι ώστε να μην υπάρχουν δέντρα, κτίρια ή άλλα εμπόδια στην πορεία των ηλιακών ακτίνων.

Σχέδιο ηλεκτροδότησης σπιτιού από τον ήλιο

Το σύστημα ηλιακής ηλεκτρικής τροφοδοσίας περιλαμβάνει:

1. Ηλιακά πάνελ.
2. Ελεγκτής.
3. Μπαταρίες.
4. Μετατροπέας (inverter).

Ο ελεγκτής σε αυτό το κύκλωμα προστατεύει τόσο τις ηλιακές μπαταρίες όσο και τις μπαταρίες αποθήκευσης. Από τη μία πλευρά, εμποδίζει τη ροή αντίστροφων ρευμάτων κατά τη διάρκεια της νύχτας και σε συννεφιασμένο καιρό, ενώ από την άλλη, προστατεύει τις μπαταρίες από υπερβολική φόρτιση/εκφόρτιση.

Οι μπαταρίες για ηλιακά πάνελ πρέπει να επιλέγονται ίδιες σε ηλικία και χωρητικότητα, διαφορετικά η φόρτιση/εκφόρτιση θα γίνεται ανομοιόμορφα, πράγμα που θα οδηγήσει σε απότομη μείωση της διάρκειας ζωής τους.

Για τη μετατροπή του συνεχούς ρεύματος 12, 24 ή 48 Volt σε εναλλασσόμενο 220 Volt χρειάζεται μετατροπέας. Δεν θα πρέπει να χρησιμοποιείτε μπαταρίες αυτοκινήτου σε αυτή τη διάταξη, γιατί δεν αντέχουν συχνές επαναφορτίσεις. Είναι καλύτερο να επενδύσετε και να αγοράσετε ειδικές μπαταρίες γέλης AGM ή υγρού τύπου OPzS.

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Οι αρχές λειτουργίας και τα σχήματα σύνδεσης ηλιακών συλλεκτών δεν είναι πολύ περίπλοκες για την κατανόηση. Και με τα συγκεντρωμένα παρακάτω βίντεο που συλλέξαμε, θα είναι ακόμα πιο εύκολο να κατανοήσετε όλες τις λεπτομέρειες λειτουργίας και εγκατάστασης των ηλιακών πάνελ.

Προσιτά και κατανοητά, πώς λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό ηλιακό πάνελ, με όλες τις λεπτομέρειες:

Πώς λειτουργούν τα ηλιακά πάνελ, δείτε στο παρακάτω βίντεο:

Συναρμολόγηση ηλιακού πάνελ από φωτοβολταϊκά στοιχεία με τα χέρια σας:

Κάθε στοιχείο στο ηλιακό σύστημα ηλεκτροδότησης της εξοχικής κατοικίας πρέπει να επιλεγεί σωστά. Αναπόφευκτες απώλειες ισχύος συμβαίνουν στις μπαταρίες, τους μετασχηματιστές και τον ελεγκτή. Και πρέπει οπωσδήποτε να μειωθούν στο ελάχιστο, διαφορετικά η ήδη αρκετά χαμηλή απόδοση των ηλιακών πάνελ θα μηδενιστεί εντελώς.

Κατά την εξέταση του υλικού προέκυψαν ερωτήσεις; Ή γνωρίζετε πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με το θέμα του άρθρου και μπορείτε να τις ενημερώσετε τους αναγνώστες μας; Παρακαλούμε αφήστε τα σχόλιά σας στο παρακάτω πλαίσιο.