Saulės baterijos veikimo principas: kaip išdėstyta ir veikia saulės baterija

vandens laikrodis

Tokį sukamojo įtaiso valdymo būdą sugalvojo iniciatyvus Kanados studentas ir jis atsakingas tik už vienos ašies – horizontaliosios – pasukimą.

Veikimo principas taip pat yra paprastas ir yra toks:

1. Saulės baterija montuojama į pradinę padėtį, kai saulės spinduliai statmenai patenka į fotoelementą.
2. Po to prie vienos pusės tvirtinamas indas su vandeniu, o kitoje pusėje – koks nors tokio pat svorio objektas, kaip ir indas su vandeniu. Talpyklos apačioje turi būti nedidelė skylutė.
3. Per jį palaipsniui iš rezervuaro ištekės vanduo, dėl to svoris sumažės, o plokštė lėtai pasvirs atsvaro link. Eksperimentiškai reikės nustatyti konteinerio angos matmenis.

Šis metodas yra pats paprasčiausias.Be to, sutaupomi materialiniai ištekliai, kurie būtų išleisti varikliui įsigyti, kaip ir laikrodžio mechanizmo atveju. Be to, sukamąjį mechanizmą vandens laikrodžio pavidalu galite sumontuoti patys, net neturėdami specialių žinių.

Saulės baterijų privalumai

Saulės energija yra perspektyvi sritis, kuri nuolat tobulėja. Jie turi keletą pagrindinių privalumų. Lengvas naudojimas, ilgas tarnavimo laikas, saugumas ir prieinama kaina.

Teigiami šio tipo akumuliatoriaus naudojimo aspektai:

• Atsinaujinantis – šis energijos šaltinis praktiškai neturi jokių apribojimų, be to, yra nemokamas. Bent jau ateinančius 6,5 milijardo metų. Būtina parinkti įrangą, ją sumontuoti ir naudoti pagal paskirtį (privačiame name ar kotedžo sklype).
• Gausa – Žemės paviršius vidutiniškai gauna apie 120 000 teravatų energijos, o tai 20 kartų viršija dabartinį energijos suvartojimą. Saulės baterijos kotedžams ar privatiems namams turi didžiulį panaudojimo potencialą.
• Pastovumas – saulės energija yra pastovi, todėl žmonijai jos naudojimo procese negresia perteklinės išlaidos.
• Prieinamumas – saulės energiją galima gaminti bet kurioje vietoje, jei tik yra natūralios šviesos. Tačiau dažniausiai jis naudojamas namų šildymui.
• Ekologinė švara – saulės energija yra perspektyvi pramonės šaka, kuri ateityje pakeis jėgaines, veikiančias naudojant neatsinaujinančius išteklius: dujas, durpes, anglį ir naftą. Saugus žmonių ir naminių gyvūnėlių sveikatai.

• Gaminant plokštes ir montuojant saulės elektrines, į atmosferą neišsiskiria reikšmingi kenksmingų ar toksiškų medžiagų išmetimai.
• Tylu – Elektros gamyba beveik tyli, todėl tokio tipo jėgainės yra geresnės nei vėjo jėgainės. Jų darbą lydi nuolatinis ūžesys, dėl kurio greitai genda įranga, todėl darbuotojai turi daryti dažnas poilsio pertraukėles.
• Ekonomiškas – naudojant saulės baterijas, nekilnojamojo turto savininkai pastebi ženkliai sumažina komunalinius mokesčius už elektrą. Plokštės turi ilgą tarnavimo laiką – gamintojas plokštėms suteikia garantiją nuo 20 iki 25 metų. Tuo pačiu visos elektrinės priežiūra sumažinama iki periodinio (kas 5-6 mėnesius) plokščių paviršių valymo nuo nešvarumų ir dulkių.

Saulės baterijos veikimo principas

Dėl krūvio srauto ties p ir n sluoksnių riba n sluoksnyje susidaro nekompensuoto teigiamo krūvio zona, o p sluoksnyje – neigiamas, t.y. visiems žinomas iš mokyklos fizikos kurso p-n-jungtis. Potencialų skirtumas, atsirandantis perėjimo metu, kontaktinio potencialo skirtumas (potencialo barjeras) neleidžia elektronams praeiti iš p sluoksnio, tačiau laisvai praeina nedidelius nešiklius priešinga kryptimi, o tai leidžia gauti foto-EMF, kai patenka saulės šviesa. saulės elementas.

Veikiant saulės šviesai, absorbuoti fotonai pradeda generuoti nepusiausvyras elektronų skylių poras. Netoli perėjimo susidarę elektronai pereina iš p sluoksnio į n sritį.

Panašiai perteklinės skylės ir sluoksnis n patenka į p sluoksnį (a pav.). Pasirodo, teigiamas krūvis kaupiasi p sluoksnyje, o neigiamas krūvis kaupiasi n sluoksnyje, sukeldamas įtampą išorinėje grandinėje (b pav.). Srovės šaltinis turi du polius: teigiamą - p-sluoksnį ir neigiamą - n-sluoksnį.

Tai yra pagrindinis saulės elementų veikimo principas. Taip atrodo, kad elektronai bėga ratu, t.y. palikti p sluoksnį ir grįžti į n sluoksnį, pereinant per apkrovą (akumuliatorių).

Fotoelektrinį nutekėjimą vienos sandūros elemente užtikrina tik tie elektronai, kurių energija didesnė už tam tikro juostos tarpo plotį. Tie, kurie turi mažiau energijos, šiame procese nedalyvauja. Šį apribojimą galima pašalinti naudojant daugiasluoksnes struktūras, susidedančias iš daugiau nei vieno SC, kuriame juostos tarpas skirtinga. Jie vadinami kaskadiniais, daugiafunkciniais arba tandemais. Jų fotoelektrinė konversija yra didesnė dėl to, kad tokie saulės elementai veikia su platesniu saulės spektru. Juose fotoelementai išsidėstę mažėjant juostos tarpui. Saulės spinduliai pirmiausia patenka į fotoelementą, kurio plačiausia zona, o sugeria didžiausią energiją turinčius fotonus.

Tada fotonai, praėję pro viršutinį sluoksnį, patenka ant kito elemento ir pan. Kaskadinių elementų srityje pagrindinė tyrimų kryptis – galio arsenido kaip vieno ar kelių komponentų panaudojimas. Tokių elementų konversijos efektyvumas yra 35%. Elementai jungiami į bateriją, nes techninės galimybės neleidžia pagaminti atskiro didelio dydžio (taigi ir galios) elemento.

Saulės elementai gali veikti ilgą laiką.Jie pasitvirtino kaip stabilus ir patikimas energijos šaltinis, išbandyti kosmose, kur pagrindinis pavojus jiems yra meteorinės dulkės ir radiacija, dėl kurios erozuoja silicio elementai. Bet kadangi Žemėje šie veiksniai neturi jiems tokio neigiamo poveikio, galima daryti prielaidą, kad elementų tarnavimo laikas bus dar ilgesnis.

Saulės baterijos jau tarnauja žmogui, nes jos yra įvairių prietaisų, nuo mobiliųjų telefonų iki elektrinių transporto priemonių, maitinimo šaltinis.

Ir tai jau antrasis žmogaus bandymas pažaboti beribę saulės energiją, verčiant ją dirbti savo labui. Pirmasis bandymas buvo sukurti saulės kolektorius, kuriuose elektra buvo gaminama kaitinant vandenį iki virimo temperatūros koncentruotais saulės spinduliais.

Saulės baterijų privalumas yra tas, kad jie tiesiogiai gamina elektrą, prarasdami daug mažiau energijos nei saulės daugiapakopiai kolektoriai, kuriuose jos gavimo procesas siejamas su saulės spindulių koncentracija, vandens šildymu, garo generavimu, kuris suka garo turbiną. , o tik po to gaminant elektrą generatoriumi. Pagrindiniai saulės baterijų parametrai – pirmiausia galia

Tada svarbu, kiek jie turi energijos

Šis parametras priklauso nuo baterijų talpos ir jų skaičiaus. Trečiasis parametras yra didžiausias energijos suvartojimas, o tai reiškia, kiek įrenginių galima prijungti vienu metu. Kitas svarbus parametras – vardinė įtampa, nuo kurios priklauso papildomos įrangos pasirinkimas: inverteris, saulės baterija, valdiklis, baterija.

Privalumai ir trūkumai

Saulės baterijos, kaip ir kiti įrenginiai, turi savų privalumų ir trūkumų. Neabejotini šių sistemų pranašumai yra šie:

• Autonominio veikimo galimybė leidžia organizuoti objektų, elektroninių prietaisų ir apšvietimo maitinimą, nutolusį dideliu atstumu nuo stacionarių elektros tinklų.
• Didelis išlaidų taupymas eksploatacijos metu. Saulės šviesa, kuri virsta elektra, nieko nekainuoja ir nereikalauja papildomų išlaidų. Turite mokėti tik už keitiklius ir baterijas, kurias reikia periodiškai keisti. Ir net tokiu atveju saulės baterijos atsipirks maždaug per 10 metų su vidutiniu 25-30 metų garantiniu laikotarpiu. Jei laikysitės visų veikimo taisyklių, baterijos gali tarnauti dar ilgiau.
• Palyginti su įprastomis elektrinėmis, kurios vartoja kurą ir teršia aplinką, saulės baterijų veikimo schema yra draugiška aplinkai ir netriukšminga.

Tačiau šie įrenginiai turi ir rimtų trūkumų, į kuriuos reikėtų iš anksto atsižvelgti atliekant preliminarius skaičiavimus:

• Didelė kaina ne tik plokščių, bet ir papildomų komponentų – inverterių, valdiklių, baterijų.
• Atsipirkimas trunka per ilgai. Pinigai iš apyvartos išimami ilgam.
• Saulės sistemoms su fotovoltiniais elementais reikia daug vietos. Gana dažnai šiems tikslams reikia naudoti ne tik visą stogą, bet ir pastato sienas, rimtai pažeidžiant projektinius projektinius sprendimus. Papildomos vietos reikia didelės talpos baterijoms, kurios kai kuriais atvejais gali užimti visą kambarį.
• Elektros gamybos procesas vyksta netolygiai, priklausomai nuo paros laiko. Šį trūkumą kompensuoja įkraunamos baterijos, kurios dieną kaupia elektros energiją, o naktį ją atiduoda vartotojams.

Tranzistoriai kaip šviesos elementų pagrindas

Tranzistoriai yra tinkami mūsų tikslams, nes jų viduje yra gana didelis silicio puslaidininkinis elementas, kuris bus naudojamas elektros energijai gaminti. Geriausia rinktis tokius tranzistorius kaip KT arba P.

Pradedam darbus. Pirmiausia nupjauname metalinį dangtelį nuo reikiamo radijo komponentų skaičiaus. Tai padaryti lengviau, jei tranzistorių įsprausite į spaustuką ir atsargiai pjausite metaliniu pjūklu. Viduje pamatysite lėkštę. Tai pagrindinė mūsų būsimo įrenginio dalis. Jis mums pasitarnaus kaip fotoelementas.

Dalis turės tris kontaktus: bazę, emiterį ir kolektorių. Surinkimo metu pasirinkite kolektoriaus sandūrą dėl didžiausio potencialų skirtumo.

Surinkimas „pasidaryk pats“ geriausiai atliekamas ant lygaus paviršiaus iš bet kokios dielektrinės medžiagos.

Tuos tranzistorius, kuriuos ketinate naudoti kurdami saulės baterijas, prieš darbą reikia patikrinti. Šiems tikslams imame paprastą multimetrą. Būtina prietaisą perjungti į srovės matavimo režimą, įjungti jį tarp pagrindo ir tranzistoriaus kolektoriaus arba emiterio. Nuimame indikatorių - paprastai prietaisas rodo nedidelę srovę - miliamperų dalis, rečiau šiek tiek daugiau nei 1 mA.Toliau prietaisą perjungiame į įtampos matavimo režimą (riba 1-3 V), ir gauname išėjimo įtampos reikšmę (bus apie kelias dešimtąsias voltų). Pageidautina sugrupuoti tranzistorius, kurių išėjimo įtampos vertės yra artimos.

Montavimas

Saulės kolektoriai montuojami ant specialios konstrukcijos, sujungimas su kuria lemia fotoelementų gebėjimą atlaikyti bet kokias nepalankias oro sąlygas, tokias kaip stiprus vėjas, lietus ar sniegas, taip pat prisideda prie teisingo pasvirimo kampo formavimo.

Šis dizainas parduodamas šiomis versijomis:

• pasviręs - tokios sistemos yra optimalios montuoti ant šlaitinio stogo;
• horizontalus - ši konstrukcija tvirtinama prie plokščių stogų;
• laisvai stovintys – tokio tipo akumuliatoriai gali būti montuojami ant įvairių tipų ir dydžių stogų.

Faktinis baterijų montavimo procesas atliekamas pagal šią schemą:

plokštės karkasui tvirtinti reikalingi 50x50 mm dydžio metaliniai kvadratai, be to, reikalingi 25x25 mm kvadratai, kurie naudojami tarpinėms sijomis

Šių dalių buvimas leidžia pasiekti reikiamą atraminės konstrukcijos stiprumą ir patikimą stabilumą, taip pat suteikia reikiamą pasvirimo laipsnį;
reikia surinkti rėmą, tam reikia 6 ir 8 m dydžio varžtų;
konstrukcija tvirtinama po stogo danga 12 mm smeigėmis;
paruoštuose kvadratuose suformuojamos nedidelės skylutės, jose tvirtinamos plokštės, o stipresniam sukibimui reikia naudoti varžtus;
montavimo darbų metu ypatingas dėmesys turėtų būti skiriamas rėmui – jame neturi būti jokių iškraipymų.Priešingu atveju sistemoje gali atsirasti viršįtampis, dėl kurio stiklas įskils.

Saulės šilumos ir šviesos šaltinių įrengimas lodžijoje arba balkone vyksta pagal panašią schemą. Vienintelė išimtis yra ta, kad rėmas montuojamas ant nuožulnios plokštumos. Jis montuojamas tarp pagrindinės laikančiosios pastato sienos ir pastato galo, visada saulėtoje pusėje. Savarankiškas visų tipų saulės kolektorių surinkimas ir montavimas nereikalauja statybos darbų patirties, tačiau vis tiek prireiks tam tikrų montavimo įgūdžių. Jei norite, galite saugiai montuoti patys, tačiau prieš tai būtų malonu paskaityti specialią literatūrą apie pales montavimo ypatybes ir išstudijuoti meistriškumo klases, kurias galima rasti internete, ir, žinoma, sukaupti atsargų. reikalingus įrankius.

Darbo savo rankomis pranašumai yra akivaizdūs - tai leidžia sutaupyti daug pinigų specialistų paslaugoms, taip pat didžiulė patirtis, kurios jums gali prireikti ateityje. Tuo pačiu metu, jei asmeninių sugebėjimų neužtenka, galite ne tik prarasti laiką, bet ir sukelti plokščių lūžimą ar mažą jų efektyvumą.

Ypatumai

Šiandien plačiausiai naudojamos baterijos, pagamintos iš fotovoltinių polikristalų. Tokie modeliai išsiskiria optimaliu sąnaudų ir išleidžiamos energijos kiekio deriniu, jiems būdinga sodri mėlyna spalva ir kristalinė pagrindinių elementų struktūra. Juos montuoti labai paprasta, nes net ir neturintis didelės darbo patirties meistras gali susidoroti su jų įrengimu savo privačiame name ir vasarnamyje. Monokristalinės fotovoltinės plokštės yra antros pagal populiarumą.

Saulės elementai, pagaminti naudojant amorfinį silicį, pasižymi gana žemu efektyvumu. Tačiau jų kainos yra šiek tiek mažesnės nei analogų kaina, todėl modelis yra paklausus tarp kaimo namų savininkų. Šiuo metu tokie produktai sudaro 85% rinkos. Jie negali pasigirti didelės galios ir kadmio telūrido modifikacijomis, jų gamyba paremta aukštųjų technologijų plėvelės technika: ant patvaraus paviršiaus plonu sluoksniu užtepami keli šimtai mikrometrų medžiagos. Pažymėtina, kad esant labai žemam produkto efektyvumo lygiui, jo galia yra gana didelė.

Kitas saulės energija varomų baterijų variantas yra CIGS puslaidininkių tipai. Kaip ir ankstesnė versija, jie gaminami naudojant plėvelės technologiją, tačiau jų efektyvumas yra daug didesnis. Atskirai verta pasidomėti saulės šilumos ir šviesos šaltinių veikimo mechanizmu. Svarbiausia yra aiškiai suvokti, kad bendras generuojamos energijos kiekis jokiu būdu negali priklausyti nuo paties įrenginio efektyvumo laipsnio, nes paprastai visų tipų tokie įrenginiai suteikia maždaug vienodą galią. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad plokštėms, kurios pasižymi maksimaliu efektyvumu, jų montavimui reikia mažiau vietos.

Saulės baterijos turi šiuos privalumus:

• įrenginio ekologiškumas;
• ilgas naudojimo laikotarpis, kurio metu plokščių eksploatacinės savybės išlieka nuolat aukštos;
• technologijos genda retai, todėl joms nereikia aptarnavimo ir priežiūros bei brangaus remonto;
• baterijų, pagrįstų saulės energija, naudojimas leidžia sumažinti elektros ir dujų kainą namuose;
• saulės kolektorių naudojimas yra ypač paprastas.

Tačiau jis taip pat nebuvo be trūkumų, tarp reikšmingiausių yra šie:

• aukštos scenos plokštės;
• būtinybė įdiegti įvairią papildomą įrangą, kad būtų galima efektyviai sinchronizuoti energiją, gaunamą iš akumuliatoriaus ir iš tradicinių šaltinių;
• plokštės negali būti naudojamos kontaktuojant su tokiais prietaisais, kuriems reikia didelės galios.

9. Saulės elementų su kvantiniais taškais ypatumai

Paskutinis perspektyvus artimiausios ateities baterijų tipas yra sukurtas remiantis fizinių kvantinių taškų savybėmis - mikroskopiniais puslaidininkių intarpais tam tikroje medžiagoje. Geometriškai šie „taškeliai“ yra kelių nanometrų dydžio ir medžiagoje pasiskirstę taip, kad apimtų viso saulės spektro – IR, matomos šviesos ir UV – spinduliuotės sugertį.

Didžiulis tokių plokščių privalumas – galimybė dirbti net naktį, generuojant apie 40% didžiausios dienos galios.

Fizinės ir techninės charakteristikos, sertifikavimas ir ženklinimas

Nepriklausomai nuo to, iš ko pagamintos saulės baterijos, kiekviena iš jų turi keletą svarbių savybių:

• mechaninis – geometriniai parametrai, bendras svoris, rėmo tipas, apsauginis stiklas, elementų skaičius, jungčių tipas ir plotis;
• elektros arba voltų amperų - galia, atviros grandinės įtampa, srovės stipris esant maksimaliai apkrovai, visos plokštės ir ypač atskirų elementų efektyvumas;
• temperatūros - efektyvumo pokytis, kai temperatūra padidėja tam tikru dydžio vienetu (dažniausiai - 1 laipsnis);
• kokybės – tarnavimo laikas, elementų degradacijos greitis, buvimas Bloomberg reitingų sąrašuose;
• funkcinis - priežiūros poreikis ir lengvumas, montavimo / išmontavimo paprastumas.

Pramoninės saulės baterijos, nesvarbu, iš kokių medžiagų jos pagamintos, turi būti sertifikuotos. Minimalūs reikalavimai yra kokybės sertifikatai ISO, CE, TUV (tarptautiniai) ir (arba) Muitų sąjungos (kai parduodami joje).

Tarptautinės ženklinimo taisyklės taip pat privalomos. Pavyzdžiui, santrumpa CHN-350M-72 yra ši informacija:

• CHN - gamintojo identifikatorius (šiuo atveju Kinijos ChinaLand);
• 350 – skydelio galia vatais;
• M – monokristalinio silicio žymėjimas;
• 72 yra modulyje esančių fotovoltinių elementų skaičius.

Ką galite padaryti saulės baterijas savo rankomis namuose

Tam reikia:

Iš anksto sudaryta schema ir skaičiavimai.
Tam tikras skaičius surenkamų saulės elementų – juos pigiausia įsigyti internetu, pavyzdžiui, Aliexpress svetainėje ar kitose internetinėse parduotuvėse

Atkreipkite dėmesį į tai, kad visi elementai turi tas pačias elektrines charakteristikas. Naminis rėmas, pagamintas iš medienos ir faneros - jo surinkimo taisykles galima peržiūrėti daugybėje vaizdo įrašų tinkle

Plexiglas arba organinis stiklas, skirtas paviršiaus apsauginei dangai.
Dažai ir karščiui atsparūs klijai, skirti medinių paviršių apdirbimui.
Kontaktinės juostelės ir laidai elementams sujungti. Įvairių prisijungimo būdų diagramas galima išstudijuoti ir internete.
Lituoklis ir lituoklis. Litavimo darbai turėtų būti atliekami labai atsargiai, kad nesugadintumėte būsimo gaminio.
Silikoniniai klijai ir savisriegiai varžtai surenkamo akumuliatoriaus tvirtinimui rėme.

Nedidelė baterija pareikalaus apie 30-50 USD investicijų, o tokios pat talpos gamyklinė versija kainuos tik 10-20% brangiau.

Žinoma, toks naminis dizainas neatlaikys 25 metų, neturės visavertės saulės elektrinės galios ir negalės pasigirti dideliu efektyvumu. Tačiau jo kaina bus kuo mažesnė.

Saulės baterijos įrenginys

Kad saulės baterija galėtų saulės šviesą paversti srove, reikalingi šie elementai:

1. Fotovoltinis sluoksnis, kuris atlieka puslaidininkio vaidmenį. Jį vaizduoja du skirtingo laidumo medžiagų sluoksniai. Čia elektronai gali judėti iš p (+) srities į n (-) sritį. Tai vadinama p-n sandūra;
2. Tarp dviejų puslaidininkių sluoksnių yra patalpintas elementas, kuris iš esmės yra kliūtis elektronų perėjimui;
3. Jėgos šaltinis. Būtina prisijungti prie elemento, kuris neleidžia perduoti elektronų. Jis transformuoja įkrautų elektronų judėjimą, t.y. sukuria elektros srovę. Akumuliatoriaus baterija. Kaupia ir kaupia energiją;
4. įkrovimo valdiklis. Jo pagrindinė funkcija yra prijungti ir atjungti saulės bateriją pagal įkrovimo lygį. Sudėtingesni įrenginiai gali valdyti didžiausią galios lygį;
5. DC į kintamosios srovės keitiklis (inverteris);
6. Įtampos stabilizatorius.Apsaugo saulės baterijų sistemą nuo maitinimo šuolių.