Güneş pilinin çalışma prensibi: güneş paneli nasıl çalışır ve çalışır?

Güneşin serbest ışınlarını etkili bir şekilde evlere ve diğer tesislere güç sağlamak için kullanılabilecek enerjiye dönüştürmek, birçok yeşil enerji savunucusunun en büyük hayalidir.

Ancak güneş pilinin çalışma prensibi ve verimliliği öyledir ki, bu tür sistemlerin yüksek verimliliğinden henüz bahsetmeye gerek yoktur. Kendi ek elektrik kaynağınızın olması güzel olurdu. Değil mi? Üstelik bugün bile Rusya'da güneş panelleri yardımıyla önemli sayıda özel haneye başarıyla "bedava" elektrik sağlanıyor. Hala nereden başlayacağınızı bilmiyor musunuz?

Aşağıda size bir güneş panelinin tasarım ve çalışma prensiplerini anlatacağız; bir güneş enerjisi sisteminin verimliliğinin nelere bağlı olduğunu öğreneceksiniz. Makalede yayınlanan videolar, fotosellerden bir güneş panelini kendi ellerinizle monte etmenize yardımcı olacaktır.

Güneş panelleri: terminoloji

“Güneş enerjisi” konusunda oldukça fazla nüans ve kafa karışıklığı var. Yeni başlayanlar için yabancı terimlerin tamamını ilk başta anlamak genellikle zordur. Ancak bu olmadan güneş enerjisiyle uğraşmak, "güneş" akımı üretmek için ekipman satın almak mantıksızdır.

Farkında olmadan, yalnızca yanlış paneli seçmekle kalmaz, aynı zamanda onu bağlarken yakabilir veya ondan çok az enerji çekebilirsiniz.

Öncelikle güneş enerjisi için mevcut ekipman türlerini anlamalısınız. Güneş panelleri ve güneş kollektörleri temelde iki farklı cihazdır. Her ikisi de güneş ışınlarının enerjisini dönüştürür.

Bununla birlikte, ilk durumda, tüketici çıkışta elektrik enerjisi, ikincisinde ise ısıtılmış bir soğutucu şeklinde termal enerji alır, yani. güneş panelleri için kullanılır ev ısıtma.

Bir güneş panelinden maksimum verim ancak nasıl çalıştığını, hangi bileşenlerden ve düzeneklerden oluştuğunu ve nasıl doğru şekilde bağlandığını bilmekle elde edilebilir.

İkinci nüans ise “güneş pili” kavramıdır. Tipik olarak “pil” kelimesi bir tür elektrik depolama cihazını ifade eder. Veya banal bir ısıtma radyatörü akla geliyor. Ancak güneş pillerinde durum tamamen farklıdır. Kendi içlerinde hiçbir şey biriktirmezler.

Güneş paneli sabit bir elektrik akımı üretir. Bunu değişkene dönüştürmek için (günlük yaşamda kullanılır), devrede bir invertör bulunmalıdır.

Güneş panelleri yalnızca elektrik akımı üretmek için tasarlanmıştır. Bu da, geceleri, güneş ufkun altına indiğinde, tesisin enerji besleme devresinde ek olarak mevcut olan pillerde, eve elektrik sağlamak için biriktiriliyor.

Buradaki pil, tek bir bütün halinde bir araya getirilmiş belirli bir dizi benzer bileşen bağlamında kastedilmektedir. Aslında bu sadece birkaç özdeş fotoselden oluşan bir paneldir.

Güneş pilinin iç yapısı

Güneş panelleri giderek daha ucuz ve daha verimli hale geliyor.Artık sokak lambalarının, akıllı telefonların, elektrikli arabaların, özel evlerin ve uzaydaki uyduların pillerini şarj etmek için kullanılıyorlar. Hatta büyük üretim hacimlerine sahip tam teşekküllü güneş enerjisi santralleri (GES) kurmaya başladılar.

Bir güneş pili, güneşten gelen fotonların enerjisini elektriğe dönüştüren birçok fotoselden (fotoelektrik dönüştürücüler) oluşur.

Her güneş pili, seri bağlı yarı iletken fotoselleri birleştiren belirli sayıda modülden oluşan bir blok olarak tasarlanmıştır. Böyle bir pilin çalışma prensiplerini anlamak için, yarı iletkenler temelinde oluşturulan güneş paneli cihazındaki bu son bağlantının çalışmasını anlamak gerekir.

Fotosel kristallerinin türleri

Farklı kimyasal elementlerden yapılmış çok sayıda FEP seçeneği vardır. Ancak bunların çoğu başlangıç ​​aşamasındaki gelişmelerdir. Şu ana kadar endüstriyel ölçekte yalnızca silikon bazlı fotovoltaik hücrelerden yapılan paneller üretiliyor.

Silikon yarı iletkenler, düşük maliyetlerinden dolayı güneş pillerinin üretiminde kullanılır, özellikle yüksek verime sahip olamazlar

Bir güneş panelindeki tipik bir fotosel, her biri kendi fiziksel özelliklerine sahip olan iki silikon katmanından oluşan ince bir levhadır. Bu, elektron-delik çiftlerine sahip klasik bir yarı iletken p-n bağlantısıdır.

Fotonlar bu yarı iletken katmanlar arasındaki fotovoltaik hücreye çarptığında, kristalin homojen olmaması nedeniyle bir kapı foto-EMF'si oluşur, bu da potansiyel bir farka ve bir elektron akımına neden olur.

Güneş pillerinin silikon levhaları üretim teknolojisinde şu şekilde farklılık gösterir:

1. Monokristalin.
2. Polikristalin.

Birincisinin verimliliği daha yüksektir, ancak üretimlerinin maliyeti ikincisinden daha yüksektir. Dışarıdan, güneş panelindeki bir seçenek diğerinden şekliyle ayırt edilebilir.

Monokristal güneş pilleri homojen bir yapıya sahiptir; köşeleri kesik kare şeklinde yapılırlar. Buna karşılık, çok kristalli elementler tam anlamıyla kare bir şekle sahiptir.

Polikristaller erimiş silikonun kademeli olarak soğutulmasıyla elde edilir. Bu yöntem son derece basittir, bu nedenle bu tür fotoseller ucuzdur.

Ancak güneş ışınlarından elektrik üretme açısından verimlilikleri nadiren %15'i aşıyor. Bunun nedeni, ortaya çıkan silikon levhaların ve bunların iç yapısının "safsızlığından" kaynaklanmaktadır. Burada, p-silikon tabakası ne kadar safsa, güneş pilinin ondan verimi de o kadar yüksek olur.

Bu bakımdan tek kristallerin saflığı, çok kristalli analoglardan çok daha yüksektir. Erimiş halden değil, yapay olarak yetiştirilen katı silikon kristalinden yapılırlar. Bu tür güneş pillerinin fotoelektrik dönüşüm katsayısı halihazırda %20-22'ye ulaşıyor.

Bireysel fotoseller alüminyum çerçeve üzerinde ortak bir modül halinde monte edilir ve onları korumak için üstleri güneş ışınlarını hiçbir şekilde engellemeyen dayanıklı camla kaplanır.

Fotosel plakasının güneşe bakan üst tabakası aynı silikondan ancak fosfor ilavesiyle yapılmıştır. Pn bağlantı sistemindeki aşırı elektronların kaynağı olacak olan ikincisidir.

Güneş enerjisi alanında gerçek bir atılım, amorf fotovoltaik silikonlu esnek panellerin geliştirilmesiydi:

Güneş panelinin çalışma prensibi

Güneş ışığı bir fotoselin üzerine düştüğünde, içinde dengesiz elektron deliği çiftleri oluşur. Fazla elektronlar ve delikler kısmen pn bağlantısı yoluyla yarı iletkenin bir katmanından diğerine aktarılır.

Sonuç olarak, harici devrede voltaj belirir. Bu durumda, p katmanının temasında akım kaynağının pozitif kutbu ve n katmanında negatif kutbu oluşur.

Fotoselin kontakları arasındaki potansiyel fark (voltaj), n katmanının güneş ışınlarıyla ışınlanmasının bir sonucu olarak p-n bağlantısının farklı taraflarındaki “deliklerin” ve elektronların sayısındaki değişiklik nedeniyle ortaya çıkar.

Pil şeklinde harici bir yüke bağlanan fotoseller onunla bir kısır döngü oluşturur. Sonuç olarak güneş paneli, elektronların proteinler arasında birlikte "yürüdüğü" bir tür tekerlek gibi çalışır. Ve pil yavaş yavaş şarj oluyor.

Standart silikon fotovoltaik dönüştürücüler tek bağlantılı hücrelerdir.Elektronların bunlara akışı yalnızca bir p-n bağlantısı yoluyla gerçekleşir ve bu geçişin bir bölgesi foton enerjisiyle sınırlıdır.

Yani, bu tür fotosellerin her biri, yalnızca dar bir güneş ışınımı spektrumundan elektrik üretebilir. Diğer tüm enerji boşa gider. FEP'in verimliliğinin bu kadar düşük olmasının nedeni budur.

Güneş pillerinin verimliliğini artırmak için, son zamanlarda onlar için silikon yarı iletken elemanlar çok eklemli (kademeli) hale getirilmeye başlandı. Yeni güneş pillerinde halihazırda birkaç geçiş var. Üstelik bu çağlayanın her biri, kendi güneş ışığı spektrumuna göre tasarlanmıştır.

Bu tür fotoseller için fotonları elektrik akımına dönüştürmenin toplam verimliliği sonuçta artar. Ancak fiyatları çok daha yüksek. Burada ya düşük maliyet ve düşük verimlilikle üretim kolaylığı ya da yüksek maliyetle birlikte daha yüksek getiri söz konusudur.

Güneş paneli hem yaz hem de kış aylarında çalışabilir (ısıya değil ışığa ihtiyaç duyar) - güneş ne ​​kadar az bulutlu ve parlak olursa, güneş paneli o kadar fazla elektrik akımı üretecektir.

Çalışma sırasında fotosel ve pilin tamamı yavaş yavaş ısınır. Elektrik akımı üretmek için kullanılmayan enerjinin tamamı ısıya dönüştürülür. Çoğu zaman güneş panelinin yüzeyindeki sıcaklık 50–55 °C'ye yükselir. Ancak ne kadar yüksek olursa, fotovoltaik hücre o kadar az verimli çalışır.

Sonuç olarak aynı model güneş pili sıcak havalarda soğuk havaya göre daha az akım üretiyor. Fotoseller açık bir kış gününde maksimum verim gösterir. Burada iki faktör rol oynuyor; çok fazla güneş ve doğal soğutma.

Üstelik panel üzerine kar yağsa dahi elektrik üretmeye devam edecek.Üstelik kar taneleri, ısıtılan fotosellerin ısısından eridiği için üzerine fazla uzanmaya bile zamanları olmayacak.

Güneş pili verimliliği

Bir fotosel, açık havalarda öğle vakti bile çok az elektrik üretiyor, bu da yalnızca bir LED el fenerini çalıştırmaya yetiyor.

Çıkış gücünü artırmak için, birkaç güneş pili, DC voltajını artırmak için paralel devrede ve akımı artırmak için seri devrede birleştirilir.

Güneş panellerinin verimliliği şunlara bağlıdır:

• havanın ve pilin kendisinin sıcaklığı;
• yük direncinin doğru seçimi;
• güneş ışığının geliş açısı;
• yansıma önleyici kaplamanın varlığı/yokluğu;
• ışık akısı gücü

Dışarıdaki sıcaklık ne kadar düşük olursa fotoseller ve güneş pili bir bütün olarak o kadar verimli çalışır. Burada her şey basit. Ancak yük hesaplamasında durum daha karmaşıktır. Panelin sağladığı akıma göre seçilmelidir. Ancak değeri hava şartlarına bağlı olarak değişir.

Güneş panelleri 12 V'un katları olan bir çıkış voltajıyla üretilir - eğer aküye 24 V beslenmesi gerekiyorsa, iki panelin paralel olarak bağlanması gerekecektir.

Bir güneş pilinin parametrelerinin sürekli izlenmesi ve çalışmasının manuel olarak ayarlanması sorunludur. Bunun için kullanmak daha iyidir kontrol kontrolörüMaksimum performans ve optimum çalışma modları elde etmek için güneş panelinin ayarlarını otomatik olarak ayarlayan.

Güneş ışınlarının güneş pili üzerine ideal geliş açısı düzdür. Ancak sapma dik açıdan 30 derece dahilinde ise panelin verimliliği yalnızca %5 kadar düşer.Ancak bu açının daha da artmasıyla, artan miktarda güneş ışınımı yansıtılacak ve böylece güneş pilinin verimliliği azalacaktır.

Pilin yaz aylarında maksimum enerji üretmesi gerekiyorsa, ilkbahar ve sonbahar ekinokslarında işgal ettiği Güneş'in ortalama konumuna dik olarak yönlendirilmelidir.

Moskova bölgesi için bu, ufka yaklaşık 40-45 derecedir. Kışın maksimuma ihtiyaç duyulursa panel daha dik bir konuma yerleştirilmelidir.

Ve bir şey daha - toz ve kir, fotosellerin performansını büyük ölçüde azaltır. Fotonlar bu kadar "kirli" bir bariyerden geçerek onlara ulaşmıyor, bu da elektriğe dönüştürülecek hiçbir şeyin olmadığı anlamına geliyor. Paneller düzenli olarak yıkanmalı veya tozun yağmurla kendiliğinden yıkanacağı şekilde yerleştirilmelidir.

Bazı güneş panelleri, radyasyonu güneş pili üzerine yoğunlaştırmak için yerleşik lenslere sahiptir. Açık havalarda bu, verimliliğin artmasına yol açar. Ancak yoğun bulutlarda bu mercekler yalnızca zarar verir.

Böyle bir durumda geleneksel bir panel, daha küçük hacimlerde de olsa akım üretmeye devam ederse, lens modeli neredeyse tamamen çalışmayı bırakacaktır.

Güneş ideal olarak bir fotosel pilini eşit şekilde aydınlatmalıdır. Bölümlerinden birinin kararması durumunda, aydınlatılmayan güneş pilleri parazitik bir yüke dönüşür. Böyle bir durumda enerji üretememekle kalmıyor, aynı zamanda onu çalışan unsurlardan da alıyorlar.

Paneller, güneş ışınlarının yolunda hiçbir ağaç, bina veya başka engel olmayacak şekilde kurulmalıdır.

Ev güneş enerjisi kaynağı şeması

Güneş enerjisi besleme sistemi şunları içerir:

1. Solar paneller.
2. Denetleyici.
3. Piller.
4. İnvertör (transformatör).

Bu devredeki kontrolör hem güneş panellerini hem de aküleri korur. Bir yandan gece ve bulutlu havalarda ters akımların akışını engellerken, diğer yandan aküleri aşırı şarj/deşarjdan korur.

Güneş panelleri için şarj edilebilir piller aynı yaş ve kapasitede seçilmelidir, aksi takdirde şarj/deşarj eşit olmayan bir şekilde meydana gelecek ve bu da hizmet ömürlerinde keskin bir azalmaya yol açacaktır.

12, 24 veya 48 voltluk doğru akımı 220 voltluk alternatif akıma dönüştürmek için ihtiyacınız olan şey çevirici. Araç akülerinin sık sık şarj edilmeye dayanamaması nedeniyle böyle bir devrede kullanılması önerilmez. Para harcamak ve özel helyum AGM veya su basmış OPzS pilleri satın almak en iyisidir.

Konuyla ilgili sonuçlar ve faydalı videolar

Çalışma prensipleri ve güneş paneli bağlantı şemaları anlaşılması çok zor değil. Aşağıda topladığımız video malzemeleriyle güneş panellerinin işleyişi ve kurulumunun tüm inceliklerini anlamak daha da kolay olacaktır.

Bir fotovoltaik güneş pilinin nasıl çalıştığı tüm detaylarıyla erişilebilir ve anlaşılır:

Aşağıdaki videoda güneş panellerinin nasıl çalıştığını görün:

Fotosellerden DIY güneş paneli montajı:

İçindeki her bir element güneş enerjisi sistemi yazlık doğru seçilmelidir. Akülerde, transformatörlerde ve kontrolörde kaçınılmaz güç kayıpları meydana gelir. Ve bunların minimuma indirilmesi gerekiyor, aksi takdirde güneş panellerinin zaten oldukça düşük olan verimliliği sıfıra indirilecektir.

Materyali incelerken herhangi bir sorunuz oldu mu? Yoksa yazının konusuyla ilgili değerli bilgiler biliyor musunuz ve bunu okuyucularımızla paylaşabilir misiniz? Lütfen yorumlarınızı aşağıdaki blokta bırakın.