Princip fungování solárního panelu: jak je navržen a jak funguje solární panel

Efektivní přeměna bezplatných slunečních paprsků na energii, kterou lze využít pro napájení obydlí a dalších objektů, je vytouženým snem mnoha zastánců zelené energetiky.

Avšak princip fungování solární baterie a její účinnost jsou takové, že o vysoké efektivitě těchto systémů zatím nelze hovořit. Bylo by hezké pořídit si vlastní dodatečný zdroj elektřiny. Není-liž pravda? Navíc již dnes i v Rusku pomocí solárních panelů úspěšně zásobuje "bezplatnou" elektřinou nemalé množství soukromých domácností. Stále nevíte, kde začít?

Níže vám povíme o konstrukci a principech fungování solárního panelu, dozvíte se, na čem závisí účinnost solárního systému. A videa umístěná v článku vám pomohou vlastnoručně sestavit solární panel z fotovoltaických článků.

Solární baterie: terminologie

V oblasti „solární energetiky“ je mnoho nuancí a zmatků. Pro začátečníky je často nejdříve obtížné se vyznat ve všech neznámých pojmech. Avšak bez toho není rozumné se zabývat solární energetikou a pořizovat si zařízení na výrobu „solárního“ proudu.

Z neznalosti lze nejen vybrat nevhodný panel, ale také jej při zapojení jednoduše spálit nebo z něj získat příliš malé množství energie.

Nejprve je třeba se seznámit s existujícími typy zařízení pro solární energetiku. Solární panely a solární kolektory jsou dvě zásadně odlišná zařízení. Obě přeměňují energii slunečních paprsků.

Avšak v prvním případě získá spotřebitel na výstupu elektrickou energii, zatímco ve druhém tepelnou ve formě ohřátého teplonosného média, tedy solární panely se používají pro vytápění domu.

Maximálního výkonu ze solárního panelu dosáhnete pouze tehdy, pokud víte, jak funguje, z jakých komponent a součástí se skládá a jak vše správně zapojit.

Druhou nuancí je samotný pojem „solární panel“. Obvykle se pod slovem „baterie“ rozumí nějaké zařízení akumulující elektřinu. Nebo vás napadne obyčejný topný radiátor. V případě solárních panelů je však situace zcela odlišná. Nic v sobě neukládají.

Solárním panelem je generován stejnosměrný elektrický proud. Aby se přeměnil na střídavý (používaný v domácnosti), musí být v obvodu přítomen měnič.

Solární panely jsou určeny výhradně pro generování elektrického proudu. Ten se pak akumuluje pro zásobování domu elektřinou v noci, když slunce klesne pod obzor, již v dodatečně přítomných akumulátorech v systému energetického zajištění objektu.

Baterie je zde chápána v kontextu určitého souboru stejných komponent, sestavených do jednoho celku. Ve skutečnosti je to prostě panel z několika stejných fotovoltaických článků.

Vnitřní konstrukce solární baterie

Postupně jsou solární panely stále levnější a účinnější. Nyní se používají k dobíjení baterií v pouličních lampách, chytrých telefonech, elektromobilech, rodinných domech a na satelitech ve vesmíru. Dokonce se z nich začaly stavět plnohodnotné solární elektrárny s velkými objemy výroby.

Solární panel se skládá z mnoha fotovoltaických článků (fotovoltaických měničů FEP), které přeměňují energii fotonů ze slunce na elektrickou energii.

Každá solární baterie je uspořádána jako blok z n-tého počtu modulů, které v sobě spojují sériově zapojené polovodičové fotovoltaické články. Abychom pochopili principy fungování takové baterie, je nutné porozumět práci tohoto koncového článku v zařízení heliopanelu, vytvořeného na bázi polovodičů.

Druhy krystalů fotovoltaických článků

Existuje obrovské množství variant FEP z různých chemických prvků. Většina z nich jsou však vývoj v počátečních fázích. V průmyslovém měřítku se v současnosti vyrábějí pouze panely z fotovoltaických článků na bázi křemíku.

Křemíkové polovodiče se používají při výrobě solárních baterií kvůli své levnosti, nemohou se pochlubit nijak zvlášť vysokou účinností.

Běžný fotovoltaický článek v heliopanelu je tenká destička ze dvou vrstev křemíku, z nichž každá má své fyzikální vlastnosti. Jedná se o klasický polovodičový p-n-přechod s páry elektron-díra.

Při dopadu fotonů na FEP se mezi těmito vrstvami polovodiče v důsledku nehomogenity krystalu vytváří fotoelektromotorické napětí (foto-EMF), což vede ke vzniku rozdílu potenciálů a toku elektronů.

Křemíkové destičky fotovoltaických článků se liší podle technologie výroby:

1. Monokrystalické.
2. Polykrystalické.

První mají vyšší účinnost, ale také jejich výrobní náklady jsou vyšší než u druhých. Navenek lze jeden typ od druhého na solárním panelu rozeznat podle tvaru.

Monokrystalické fotovoltaické články mají homogenní strukturu a jsou vyrobeny ve tvaru čtverců se seříznutými rohy. Naproti tomu polykrystalické články mají přesně čtvercový tvar.

Polykrystalické články vznikají postupným ochlazováním roztaveného křemíku. Tato metoda je velmi jednoduchá, proto jsou takové fotovoltaické články levné.

Jejich účinnost při přeměně slunečního záření na elektrickou energii však zřídkakdy přesahuje 15 %. Je to způsobeno „nečistotou“ získaných křemíkových desek a jejich vnitřní strukturou. Čím čistší je vrstva křemíku typu p, tím vyšší je účinnost fotovoltaických článků z něj vyrobených.

Čistota monokrystalů je v tomto ohledu mnohem vyšší než u polykrystalických analogů. Vyrábějí se nikoli z roztaveného, ale z uměle vypěstovaného monokrystalu křemíku. Fotoelektrický konverzní koeficient (účinnost) u těchto fotovoltaických článků dosahuje 20–22 %.

Jednotlivé fotovoltaické články jsou sestaveny do společného modulu na hliníkovém rámu a pro ochranu jsou shora zakryty pevným sklem, které nijak nebrání slunečnímu záření.

Vrchní vrstva destičky fotovoltaického článku, která je obrácena ke slunci, je vyrobena ze stejného křemíku, ale s příměsí fosforu. Právě fosfor je zdrojem přebytečných elektronů v systému p-n přechodu.

Skutečným průlomem v oblasti využití sluneční energie byl vývoj flexibilních panelů s amorfním fotovoltaickým křemíkem:

Princip fungování solárního panelu

Při dopadu slunečního záření na fotovoltaický článek v něm vznikají nerovnovážné páry elektron-díra. Přebytečné elektrony a „díry“ jsou částečně přenášeny přes p-n přechod z jedné vrstvy polovodiče do druhé.

V důsledku toho se ve vnějším obvodu objeví napětí. Přitom na kontaktu p-vrstvy vzniká kladný pól zdroje proudu a na n-vrstvě záporný.

Rozdíl potenciálů (napětí) mezi kontakty fotoelektrického článku vzniká v důsledku změny počtu „děr“ a elektronů na různých stranách p-n-přechodu v důsledku ozáření n-vrstvy slunečními paprsky.

Fotoelektrické články připojené k vnější zátěži v podobě akumulátoru s ním tvoří uzavřený okruh. Solární panel tak funguje jako jakési kolo, po kterém společně jako veverky „běhají“ elektrony. A akumulátorová baterie přitom postupně získává náboj.

Standardní křemíkové fotovoltaické měniče jsou jednopřechodové prvky. Průtok elektronů v nich probíhá pouze přes jeden p-n-přechod s oblastí tohoto přechodu omezenou energií fotonů.

To znamená, že každý takový fotovoltaický článek je schopen generovat elektrickou energii pouze z úzkého spektra slunečního záření. Veškerá zbývající energie přichází nazmar. Proto je také účinnost fotovoltaických článků tak nízká.

Pro zvýšení účinnosti solárních baterií se v poslední době začaly vyrábět křemíkové polovodičové prvky s více přechody (kaskádové). V nových fotovoltaických článcích je již několik přechodů. Každý z nich je v této kaskádě navržen pro své vlastní spektrum slunečních paprsků.

Celková účinnost přeměny fotonů na elektrický proud u takových fotovoltaických článků nakonec roste. Ale jejich cena je také výrazně vyšší. Zde je buď jednoduchost výroby s nízkými náklady a nízkou účinností, nebo vyšší výtěžnost spojená s vysokou cenou.

Solární baterie může pracovat jak v létě, tak v zimě (potřebuje světlo, ne teplo) – čím menší oblačnost a jasněji svítí slunce, tím více elektrického proudu solární panel vygeneruje.

Při provozu se fotovoltaický článek a celá baterie postupně zahřívají. Veškerá energie, která nebyla použita ke generování elektrického proudu, se přemění na teplo. Teplota na povrchu solárního panelu často stoupá na 50–55 °C. Ale čím je vyšší, tím méně efektivně fotovoltaický článek pracuje.

V důsledku toho stejný model solární baterie generuje v horku méně proudu než v mrazu. Maximální účinnost vykazují fotovoltaické články za jasného zimního dne. Zde se uplatňují dva faktory – hodně slunce a přirozené chlazení.

Přitom pokud na panel padá sníh, bude i nadále generovat elektrickou energii. Navíc sněhové vločky na něm ani nestihnou déle ležet, protože roztají od tepla zahřátých fotovoltaických článků.

Účinnost baterií solárního systému

Jeden fotovoltaický článek i v poledne za jasného počasí produkuje jen velmi málo elektrické energie, sotva dostatečné pro provoz LED svítilny.

Pro zvýšení výstupního výkonu se několik fotovoltaických článků spojuje paralelně pro zvýšení stejnosměrného napětí a sériově pro zvýšení proudu.

Účinnost solárních panelů závisí na:

• teplotě vzduchu a samotného panelu;
• správném nastavení odporu zátěže;
• úhlu dopadu slunečních paprsků;
• přítomnosti/nepřítomnosti antireflexní vrstvy;
• výkonu světelného toku.

Čím nižší je venkovní teplota, tím účinněji pracují fotovoltaické články a solární panel jako celek. Zde je vše jednoduché. S výpočtem zátěže je to však složitější. Tu je třeba volit podle proudu dodávaného panelem. Jeho hodnota se však mění v závislosti na povětrnostních faktorech.

Solární panely jsou vyráběny s výstupním napětím násobným 12 V – pokud je třeba na akumulátor přivést 24 V, pak k němu bude nutné připojit dva panely paralelně.

Trvale sledovat parametry solárního panelu a ručně korigovat jeho provoz je problematické. K tomu je lepší použít regulátor, který v automatickém režimu sám přizpůsobuje nastavení solárního panelu, aby dosáhl maximálního výkonu a optimálních pracovních režimů.

Ideální úhel dopadu slunečních paprsků na solární panel je přímý. Při odchylce do 30 stupňů od kolmice však účinnost panelu klesá jen o přibližně 5 %. Při dalším zvětšování tohoto úhlu se však odráží stále větší podíl slunečního záření, čímž se snižuje účinnost FV článků.

Pokud se od panelu požaduje, aby v létě dodával maximální energii, měl by být orientován kolmo k průměrné poloze Slunce, kterou zaujímá v jarní a podzimní rovnodennosti.

Pro Moskevský region je to přibližně 40–45 stupňů k horizontu. Pokud je maximum potřeba v zimě, pak je třeba panel umístit do svislejší polohy.

A ještě jedna věc – prach a nečistoty výrazně snižují výkon fotovoltaických článků. Fotony přes takovou „špinavou“ překážku prostě nedosáhnou k článkům, a není tedy co přeměňovat na elektrickou energii. Panely je nutné pravidelně mýt, nebo je umístit tak, aby se prach sám smýval deštěm.

Některé solární panely mají vestavěné čočky pro koncentraci záření na FV články. Za jasného počasí to vede ke zvýšení účinnosti. Při silné oblačnosti však tyto čočky přinášejí jen škodu.

Zatímco běžný panel v takové situaci bude nadále generovat proud, i když v menším množství, čočkový model přestane pracovat téměř úplně.

Slunce by mělo fotovoltaické panely ideálně osvětlovat rovnoměrně. Pokud je některá část panelu zastíněna, neosvětlené FV články se stanou parazitní zátěží. V takové situaci nejenže negenerují energii, ale navíc ji odebírají pracujícím článkům.

Panely musí být instalovány tak, aby na cestě slunečních paprsků nebyly stromy, budovy ani jiné překážky.

Schéma napájení domu ze slunce

Systém solárního napájení zahrnuje:

1. Solární panely.
2. Regulátor.
3. Akumulátory.
4. Měnič (transformátor).

Regulátor v tomto schématu chrání jak solární panely, tak i akumulátory. Na jedné straně zabraňuje zpětnému toku proudu v noci a za oblačného počasí, na druhé straně chrání akumulátory před nadměrným nabíjením/vybíjením.

Akumulátorové baterie pro solární panely je třeba vybírat stejného stáří a kapacity, jinak bude nabíjení/vybíjení probíhat nerovnoměrně, což povede k prudkému snížení jejich životnosti.

Pro transformaci stejnosměrného proudu 12, 24 nebo 48 Voltů na střídavý 220voltový je potřeba měnič. Automobilové akumulátory se v tomto schématu nedoporučují kvůli jejich neschopnosti snášet časté přebíjení. Nejlepší je investovat a pořídit speciální gelové AGM nebo zalévané OPzS akumulátory.

Závěry a užitečné video k tématu

Principy fungování a schémata zapojení solárních panelů nejsou příliš složité k pochopení. A s námi připravenými videomateriály níže bude ještě snazší porozumět všem jemnostem fungování a instalace solárních panelů.

Přístupně a srozumitelně, jak funguje fotovoltaický solární panel, do všech podrobností:

Jak jsou uspořádány solární panely, se podívejte v následujícím videu:

Sestavení solárního panelu z fotovoltaických článků vlastníma rukama:

Každý prvek v systému solárního napájení chaty musí být vybrán správně. Nevyhnutelné ztráty výkonu vznikají na akumulátorech, transformátorech a regulátoru. A je nutné je minimalizovat, jinak se i tak dost nízká účinnost solárních panelů sníží na nulu.

Během studia materiálu se objevily otázky? Nebo znáte cenné informace k tématu článku a můžete je sdělit našim čtenářům? Prosím, zanechte své komentáře v bloku níže.