Funktionsprincip för en solpanel: hur en solpanel är uppbyggd och fungerar

Effektiv omvandling av gratis solstrålar till energi som kan användas för elförsörjning av bostäder och andra objekt är den omhuldade drömmen för många anhängare av grön energi.

Men principen för hur en solpanel fungerar och dess verkningsgrad är sådana att man ännu inte kan tala om hög effektivitet för sådana system. Det vore bra att skaffa en egen extra elkälla. Inte sant? Dessutom försörjs redan idag i Ryssland ett inte oansenligt antal privata hushåll med 'gratis' el med hjälp av solpaneler. Vet du fortfarande inte var du ska börja?

Nedan berättar vi om konstruktionen och funktionsprinciperna för en solpanel, och du får veta vad som påverkar solsystemets effektivitet. Och videofilmerna i artikeln hjälper dig att på egen hand montera en solpanel av fotoceller.

Solbatterier: terminologi

Inom ämnet 'solenergi' finns det många nyanser och förvirring. Det är ofta svårt för nybörjare att till en början förstå alla okända termer. Men utan detta är det oklokt att ägna sig åt solenergi och köpa utrustning för att generera 'solström'.

På grund av okunskap kan man inte bara välja en olämplig panel utan även helt enkelt bränna den vid anslutning eller dra ut en alltför liten mängd energi ur den.

Först bör man sätta sig in i de befintliga varianterna av utrustning för solenergi. Solpaneler och solfångare är två helt olika enheter. Båda omvandlar solstrålarnas energi.

Men i det första fallet får konsumenten elektrisk energi, och i det andra värme i form av uppvärmt värmebärare, dvs. solpaneler används för uppvärmning av huset.

Maximal avkastning från en solpanel kan endast uppnås om man vet hur den fungerar, vilka komponenter och delar den består av och hur allt ansluts korrekt.

Den andra nyansen är begreppet själva termen 'solpanel'. Vanligtvis förstås med ordet 'batteri' en anordning som lagrar elektrisk energi. Eller så tänker man på en vanlig värmeradiator. Men när det gäller solpaneler är situationen helt annorlunda. De lagrar ingenting i sig själva.

Solpanelen genererar likström. För att omvandla den till växelström (som används i hushållet) måste en inverter finnas i kretsen.

Solpaneler är uteslutande avsedda för generering av elektrisk ström. Den lagras i sin tur för att förse huset med el på natten, när solen går ner, i de batterier som finns ytterligare i objektets energiförsörjningskrets.

Batteri här avses i kontexten av en viss uppsättning av likartade komponenter samlade till en helhet. I själva verket är det bara en panel av flera identiska fotoceller.

Invändig konstruktion av solbatteri

Successivt blir solpaneler billigare och effektivare. Nu används de för att ladda batterier i gatlyktor, smartphones, elbilar, privata hus och på satelliter i rymden. Man har till och med börjat bygga fullskaliga solkraftverk (SES) med stora generationvolymer.

En solpanel består av många fotoceller (fotovoltaiska omvandlare, FEP), som omvandlar fotonernas energi från solen till elektrisk energi.

Varje solpanel är konstruerad som ett block med ett visst antal moduler som kombinerar seriekopplade halvledarfotoceller. För att förstå hur en sådan panel fungerar måste man förstå hur den slutliga komponenten i solpanelens konstruktion fungerar, vilken är baserad på halvledare.

Typer av fotocellkristaller

Det finns ett stort antal varianter av FEP från olika kemiska element. De flesta är dock i tidiga utvecklingsstadier. I industriell skala tillverkas för närvarande endast paneler med fotoceller baserade på kisel.

Kiselhalvledare används vid tillverkning av solpaneler på grund av sin låga kostnad, men de kan inte skryta med särskilt hög verkningsgrad.

En vanlig fotocell i en solpanel är en tunn skiva av två kiselskikt, vart och ett med sina egna fysikaliska egenskaper. Detta är en klassisk halvledar-p-n-övergång med elektron-hålpar.

När fotoner träffar FEP uppstår mellan dessa halvledarskikt på grund av kristallens inhomogenitet en ventil-foto-EMK, vilket resulterar i en potentialskillnad och en elektronström.

Kiselplattor för fotoceller skiljer sig åt i tillverkningstekniken:

1. Monokristallina.
2. Polykristallina.

De förra har högre verkningsgrad, men deras produktionskostnad är också högre än de senare. Utseendemässigt kan man skilja den ena varianten från den andra på solpanelen genom formen.

Monokristallina solceller har en homogen struktur och är formade som kvadrater med avskurna hörn. Polykristallina celler har däremot en strikt kvadratisk form.

Polykristaller framställs genom gradvis avkylning av smält kisel. Metoden är mycket enkel, vilket gör dessa solceller billiga.

Men deras effektivitet när det gäller att omvandla solljus till el överstiger sällan 15 %. Detta beror på 'orenheten' i de framställda kiselskivorna och deras inre struktur. Ju renare p-skiktet av kisel är, desto högre blir verkningsgraden för solceller tillverkade av det.

Renheten hos monokristaller är mycket högre än hos polykristallina motsvarigheter. De tillverkas inte av smält kisel, utan av konstgjorda helkristaller av kisel. Den fotoelektriska omvandlingsgraden för sådana solceller når redan 20–22 %.

I en modul monteras enskilda solceller på en aluminiumram och skyddas ovanifrån av ett starkt glas som inte hindrar solstrålarna.

Det övre lagret av solcellen som vetter mot solen är tillverkat av samma kisel, men med tillsats av fosfor. Fosform är källan till överskottselektroner i p-n-övergångssystemet.

En verklig banbrytning inom solenergianvändningen var utvecklingen av flexibla paneler med amorft fotovoltaiskt kisel:

Funktionsprincip för solpanel

När solstrålar träffar solcellen genereras icke-jämvikts elektron-hål-par. Överskottselektroner och 'hål' transporteras delvis genom p-n-övergången från ett halvledarlager till ett annat.

Resultatet är en spänning i den externa kretsen. Kontakten på p-skiktet bildar den positiva polen på strömkällan, och kontakten på n-skiktet bildar den negativa polen.

Potentialskillnaden (spänningen) mellan fotocellens kontakter uppstår på grund av förändringen i antalet ”hål” och elektroner på olika sidor av p-n-övergången till följd av att n-skiktet bestrålas med solljus.

Fotoceller som är anslutna till en extern belastning i form av ett batteri bildar en sluten krets med detta. Resultatet blir att solpanelen fungerar som ett slags hjul där elektronerna ”springer” runt tillsammans med proteiner. Batteriladdningen ökar samtidigt gradvis.

Vanliga kiselbaserade fotoelektriska omvandlare är enkelskiktskomponenter. Elektronflödet i dem sker endast genom en enda p-n-övergång med ett begränsat fotonspektraområde för den övergången.

Det innebär att varje sådan fotocell endast kan generera elektricitet från ett smalt spektrum av solstrålning. All annan energi går förlorad. Därför är effektiviteten hos fotoelektriska omvandlare så låg.

För att öka verkningsgraden hos solpaneler har man på senare tid börjat tillverka kiseldioderna som flerskikts (kaskad) komponenter. De nya fotoelektriska omvandlarna har flera övergångar. Var och en av dem i denna kaskad är anpassad till ett eget spektrum av solens strålar.

Den totala effektiviteten av omvandling av fotoner till elektrisk ström i sådana komponenter ökar därmed. Men priset är också betydligt högre. Här handlar det antingen om enkel tillverkning med låg kostnad och låg verkningsgrad, eller högre avkastning i kombination med hög kostnad.

En solpanel kan fungera både sommar och vinter (den behöver ljus, inte värme) – ju mindre molnighet och ju starkare solen skiner, desto mer elektrisk ström genererar solpanelen.

Under drift värms fotocellen och hela panelen gradvis upp. All energi som inte används för att generera elektrisk ström omvandlas till värme. Ofta stiger temperaturen på solpanelens yta till 50–55 °C. Men ju högre temperaturen är, desto mindre effektivt fungerar den fotovoltaiska cellen.

Samma modell av solpanel genererar därför mindre ström i värme än i kyla. Fotocellerna uppnår maximal verkningsgrad en klar vinterdag. Här spelar två faktorer in – mycket sol och naturlig kylning.

Om snö faller på panelen fortsätter den ändå att generera elektricitet. Dessutom hinner snöflingorna knappt ligga kvar, eftersom de smälter av värmen från de uppvärmda fotocellerna.

Verkningsgrad för solsystemets batterier

En enda fotocell ger även mitt på dagen i klart väder bara en liten mängd elektricitet, tillräcklig möjligen för att driva en LED-ficklampa.

För att öka uteffekten kopplas flera fotoelektriska omvandlare samman i parallellkrets för att höja likspänningen och i serie för att öka strömstyrkan.

Solpanelers effektivitet beror på:

• luftens och panelens temperatur;
• korrekt val av belastningsresistans.
• solstrålarnas infallsvinkel;
• förekomst/frånvaro av antireflexbehandling;
• ljusflödets styrka.

Ju lägre temperaturen är utomhus, desto effektivare arbetar solcellerna och solpanelen som helhet. Det är enkelt. Men med beräkningen av belastningen är situationen mer komplicerad. Den måste väljas baserat på den ström som panelen levererar. Men dess storlek varierar beroende på väderförhållanden.

Solpaneler tillverkas med en utspänning som är en multipel av 12 V – om batteriet behöver 24 V måste två paneler anslutas parallellt.

Det är problematiskt att ständigt övervaka solpanelens parametrar och manuellt justera dess funktion. För detta är det bättre att använda en styrregulator som automatiskt anpassar solpanelens inställningar för att uppnå maximal prestanda och optimala driftlägen.

Den ideala infallsvinkeln för solstrålar mot solpanelen är rak. Men vid en avvikelse inom 30 grader från vinkelrät sjunker panelens effektivitet med endast cirka 5%. Men när vinkeln ökas ytterligare kommer en allt större del av solstrålningen att reflekteras, vilket minskar solcellernas verkningsgrad.

Om batteriet ska ge maximal energi på sommaren, bör det riktas vinkelrätt mot solens medelposition under vår- och höstdagjämningarna.

För Moskvaregionen är detta ungefär 40–45 grader mot horisonten. Om maximum behövs på vintern, bör panelen placeras mer vertikalt.

Och ytterligare en sak – damm och smuts minskar solcellernas prestanda kraftigt. Fotoner når helt enkelt inte fram genom en sådan 'smutsig' barriär, och därför finns det inget att omvandla till elektricitet. Panelerna måste rengöras regelbundet eller placeras så att dammet sköljs bort av regnet på egen hand.

Vissa solpaneler har inbyggda linser för att koncentrera strålningen på solcellerna. Vid klart väder leder detta till ökad verkningsgrad. Men vid kraftig molnighet gör dessa linser bara skada.

Om en vanlig panel i en sådan situation fortsätter att generera ström, om än i mindre mängd, kommer linsmodellen att sluta fungera nästan helt.

Solen bör helst belysa solcellsbatteriet jämnt. Om en av dess sektioner blir skuggad, blir de obelysta solcellerna en parasitbelastning. De genererar inte bara ingen energi i en sådan situation, utan tar också energi från de arbetande elementen.

Panelerna måste installeras så att det inte finns träd, byggnader eller andra hinder i solstrålarnas väg.

Kopplingsschema för elförsörjning av hus från solen

Systemet för solcellsförsörjning inkluderar:

1. Solpaneler.
2. Regulator.
3. Batterier.
4. Inverter (transformator).

Regulatorn i denna krets skyddar både solpanelerna och batterierna. Å ena sidan förhindrar den backströmmar på natten och i molnigt väder, och å andra sidan skyddar den batterierna från överladdning/överurladdning.

Batterier för solpaneler bör väljas med samma ålder och kapacitet, annars kommer laddning/urladdning att ske ojämnt, vilket leder till kraftigt förkortad livslängd.

För att transformera likström på 12, 24 eller 48 Volt till växelström 220 Volt behövs en växelriktare. Det rekommenderas inte att använda bilbatterier i en sådan krets eftersom de inte tål frekventa om-laddningar. Bäst är att satsa på och köpa speciella gel-AGM eller våta OPzS-batterier.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Arbetsprinciperna och kopplingsscheman för solpaneler är inte alltför svåra att förstå. Och med videomaterialet vi samlat nedan blir det ännu enklare att sätta sig in i alla finesser kring funktion och installation av solpanelerna.

På ett lättillgängligt och begripligt sätt, hur en fotovoltaisk solpanel fungerar, i detalj:

Se hur solpaneler är uppbyggda i nästa video:

Montering av en solpanel av solceller själv:

Varje komponent i solenergisystemet för ett hus måste väljas noggrant. Oundvikliga effektförluster sker i batterier, transformatorer och regulatorn. Och de måste minskas till ett minimum, annars kommer solpanelernas redan låga effektivitet att bli helt noll.

Har du frågor när du studerar materialet? Eller har du värdefull information om ämnet i artikeln och kan dela den med våra läsare? Lämna gärna dina kommentarer i blocket nedan.