Solpanelets funktionsprincip: hvordan et solpanel er opbygget og fungerer

Effektiv omdannelse af gratis sollys til energi, som kan anvendes til elforsyning af boliger og andre objekter, er en drøm for mange fortalere af grøn energi.

Men solbatteriets funktionsprincip og dets effektivitet gør, at man endnu ikke kan tale om høj effektivitet for sådanne systemer. Det ville være rart at få sin egen ekstra strømkilde. Ikke sandt? Især når man tænker på, at allerede i dag i Rusland forsynes mange private husstande med 'gratis' strøm ved hjælp af solpaneler. Ved du stadig ikke, hvor du skal begynde?

Nedenfor fortæller vi dig om opbygningen og funktionsprincipperne for et solpanel, du lærer, hvad effektiviteten af solsystemet afhænger af. Og de videoer, der findes i artiklen, vil hjælpe dig med selv at samle et solpanel af solceller.

Solcellebatterier: terminologi

Inden for 'solenergi' er der mange nuancer og forvirrende begreber. Det er ofte svært for nybegyndere at forstå alle de ukendte udtryk i starten. Men uden denne forståelse er det ufornuftigt at beskæftige sig med solenergi og anskaffe udstyr til at generere 'solstrøm'.

Af uvidenhed kan du ikke blot vælge et uegnet panel, men også risikere at brænde det af under tilslutning eller få meget lidt energi ud af det.

Først skal man forstå de forskellige typer udstyr til solenergi. Solpaneler og solfangere er to fundamentalt forskellige enheder. Begge omdanner solens stråleenergi.

Men i det første tilfælde får forbrugeren elektrisk energi, og i det andet termisk energi i form af opvarmet varmebærer, dvs. solpaneler bruges til husopvarmning.

Man får maksimalt udbytte af et solpanel kun ved at vide, hvordan det fungerer, hvilke komponenter og dele det består af, og hvordan det hele tilsluttes korrekt.

Den anden nuance er selve begrebet 'solpanel'. Normalt forstås ordet 'batteri' som en enhed, der lagrer elektricitet. Eller man tænker på en almindelig radiator. Men for solpaneler er situationen helt anderledes. De lagrer intet i sig selv.

Solpanelet genererer jævnstrøm. For at omdanne den til vekselstrøm (der bruges i husholdningen) skal der være en inverter i kredsløbet.

Solpaneler er udelukkende til at generere elektrisk strøm. Strømmen lagres i batterier, der er en del af bygningens energisystem, til at forsyne huset om natten, når solen er gået ned.

Her refererer 'batteri' til en gruppe af ens komponenter, der er samlet til en helhed. Det er simpelthen et panel af flere ens fotovoltaiske celler.

Solbatteriets indre opbygning

Solpaneler bliver gradvist billigere og mere effektive. I dag bruges de til at oplade batterier i gadelamper, smartphones, elbiler, private hjem og på satellitter i rummet. Man er endda begyndt at bygge fuldgyldige solkraftværker (solcelleparker) med store mængder genereret strøm.

Et solpanel består af mange fotoceller (fotovoltaiske omformere), der omdanner fotonenergi fra solen til elektricitet.

Hvert solpanel er opbygget som en blok af et n antal moduler, der samler serieforbundne halvleder fotoceller. For at forstå principperne for, hvordan et sådant panel fungerer, er det nødvendigt at sætte sig ind i arbejdet i dette sidste led i solpanelets opbygning, som er baseret på halvledere.

Typer af solcellekrystaller

Der findes et enormt antal varianter af fotovoltaiske celler lavet af forskellige kemiske grundstoffer. Men størstedelen er stadig i de indledende udviklingsstadier. I industriel skala produceres der foreløbig kun paneler med siliciumbaserede fotoceller.

Siliciumhalvledere bruges til fremstilling af solpaneler på grund af deres billighed, men de kan ikke prale af en særlig høj virkningsgrad.

En almindelig fotocelle i et solpanel er en tynd plade af to lag silicium, som hver har deres egne fysiske egenskaber. Det er en klassisk halvleder p-n-overgang med elektron-hul-par.

Når fotoner rammer fotocellen, dannes der på grund af krystalets ujævnhed en fotoelektromotorisk spænding mellem halvlederens lag, hvilket resulterer i en potentiel forskel og en strøm af elektroner.

Siliciumpladerne til fotoceller opdeles efter fremstillingsteknologi i:

1. Monokrystallinske.
2. Polykrystallinske.

De første har en højere virkningsgrad, men også deres produktionsomkostninger er højere end de sidstes. Udseendemæssigt kan man på et solpanel skelne den ene variant fra den anden ved formen.

Monokrystallinske fotovoltaiske celler har en homogen struktur og er udført som firkanter med afskårne hjørner. I modsætning hertil har polykrystallinske elementer en strengt kvadratisk form.

Polykrystaller fremstilles ved gradvis afkøling af smeltet silicium. Denne metode er ekstremt enkel, hvorfor sådanne fotovoltaiske celler er billige.

Men deres effektivitet med hensyn til produktion af elektricitet fra sollys overstiger sjældent 15%. Det skyldes 'urenhed' i de opnåede siliciumskiver og deres interne struktur. Jo renere p-laget af silicium er, desto højere bliver virkningsgraden af fotovoltaiske celler fremstillet af det.

Renheden af monokrystaller er i denne henseende meget højere end hos polykrystallinske analoger. De laves ikke af smeltet, men af kunstigt dyrket hel siliciumkrystal. Den fotovoltaiske konverteringskoefficient for sådanne fotovoltaiske celler når allerede 20-22%.

I det samlede modul samles de enkelte fotovoltaiske celler på en aluminiumsramme, og for at beskytte dem dækkes de ovenpå med stærkt glas, som på ingen måde hindrer solstrålerne.

Det øverste lag af fotovoltaisk celle, der vender mod solen, er lavet af samme silicium, men med tilsætning af fosfor. Sidstnævnte vil være kilden til overskydende elektroner i p-n-overgangssystemet.

Et sandt gennembrud inden for solenergiudnyttelse var udviklingen af fleksible paneler med amorft fotovoltaisk silicium:

Sådan fungerer et solpanel

Når sollys falder på en fotovoltaisk celle, genereres der ubalancerede elektron-hul-par. Overskydende elektroner og 'huller' transporteres delvist over p-n-overgangen fra et halvlederlag til et andet.

Som resultat opstår der spænding i den eksterne kreds. Ved p-lagets kontakt dannes den positive pol, og ved n-laget den negative pol.

Potentialeforskellen (spændingen) mellem fotocellens kontakter opstår på grund af ændringen i antallet af 'huller' og elektroner på de forskellige sider af p-n-overgangen som følge af bestråling af n-laget med solstråler.

De fotoceller, der er forbundet til en ekstern belastning som et batteri, danner en lukket kreds med det. Solpanelet fungerer derfor som et slags hjul, hvor elektronerne løber rundt som egern. Batteriet bliver gradvist opladt.

Standard silicium fotoelektriske omformere er enkelt-overgangselementer. Elektronflowet i dem sker kun gennem en enkelt p-n-overgang med en zone, der er begrænset i fotonenergi.

Det vil sige, at hver sådan fotocelle kun kan generere elektricitet fra et snævert spektrum af solstråling. Al den resterende energi går tabt. Derfor er effektiviteten af FEP så lav.

For at øge effektiviteten af solpaneler er silicium-halvlederelementer for nylig blevet fremstillet som multi-overgangs (kaskade). I de nye FEP er der flere overgange. Hver af dem i denne kaskade er designet til deres eget spektrum af solstråler.

Den samlede effektivitet af omdannelsen af fotoner til elektrisk strøm i sådanne fotoceller stiger til sidst. Men prisen er også betydeligt højere. Her er der enten enkelhed i fremstillingen med lave omkostninger og lav effektivitet, eller en højere ydelse kombineret med høj pris.

Et solpanel kan fungere både om sommeren og om vinteren (det har brug for lys, ikke varme) – jo mindre skyer og jo stærkere solen skinner, jo mere elektrisk strøm genererer solpanelet.

Under drift varmes fotocellen og hele batteriet gradvist op. Al den energi, der ikke er gået til generering af elektrisk strøm, omdannes til varme. Ofte stiger temperaturen på solpanelets overflade til 50–55 °C. Men jo højere den er, jo mindre effektivt fungerer den fotogalvaniske celle.

Som følge heraf genererer den samme model af solpanel mindre strøm i varmen end i frostvejr. Maksimal effektivitet viser fotocellerne på en klar vinterdag. To faktorer spiller ind – meget sol og naturlig afkøling.

Men hvis sne falder på panelet, vil det stadig fortsætte med at generere elektricitet. Desuden når snefnuggene ikke engang at ligge på det, da de smelter fra varmen fra de opvarmede fotoceller.

Effektivitet af solsystemets batterier

En enkelt fotocelle producerer selv ved middagstid i klart vejr kun en lille smule elektricitet, nok til at drive en LED-lommelygte.

For at øge udgangseffekten samles flere FEP i parallel for at øge jævnspændingen og i serie for at øge strømstyrken.

Effektiviteten af solpaneler afhænger af:

• lufttemperaturen og selve batteriet;
• korrekt valg af belastningsmodstand;
• solstrålernes indfaldsvinkel;
• tilstedeværelse/fravær af antirefleksbelægning;
• lysstrømmens styrke.

Jo lavere temperaturen er udenfor, desto mere effektivt arbejder fotocellerne og solcelleanlægget som helhed. Det er enkelt. Men med belastningsberegningen er situationen mere kompliceret. Den skal vælges ud fra den strøm, som panelet leverer. Men dens størrelse ændrer sig afhængigt af vejrforholdene.

Solpaneler fremstilles med en udgangsspænding, der er et multiplum af 12 V – hvis batteriet skal have 24 V, skal to paneler forbindes parallelt.

Det er problematisk konstant at overvåge solbatteriets parametre og manuelt justere dets drift. Derfor er det bedre at bruge en styringscontroller, som automatisk tilpasser solpanelets indstillinger for at opnå maksimal ydeevne og optimale driftsformer.

Den ideelle indfaldsvinkel for solens stråler på solcelleanlægget er lodret. Men ved en afvigelse på inden for 30 grader fra vinkelret falder panelets effektivitet kun med omkring 5%. Men ved yderligere forøgelse af denne vinkel vil en større del af solstrålingen reflekteres, hvilket reducerer fotocellemodulernes virkningsgrad.

Hvis solcelleanlægget skal give maksimal energi om sommeren, skal det orienteres vinkelret på Solens gennemsnitlige position, som den indtager ved forårs- og efterårsjævndøgn.

For Moskva-regionen er det cirka 40–45 grader over horisonten. Hvis maksimum er nødvendigt om vinteren, skal panelet placeres i en mere lodret position.

Og endnu et punkt – støv og snavs reducerer fotocellernes ydeevne kraftigt. Fotoner når simpelthen ikke frem til dem gennem en sådan “beskidt” barriere, og der er derfor intet at omdanne til elektricitet. Panelerne skal rengøres regelmæssigt eller placeres således, at støvet vaskes væk af regnen selv.

Nogle solcelleanlæg har indbyggede linser til at koncentrere stråling på fotocellemodulerne. I klart vejr fører dette til forbedret virkningsgrad. Men ved kraftig overskyet skader disse linser kun.

Hvis et almindeligt panel i en sådan situation fortsat vil generere strøm, om end i mindre mængder, så vil linsemodellen næsten helt stoppe med at fungere.

Solen bør ideelt set belyse batteriet af fotoceller jævnt. Hvis en af dets sektioner er skygget, bliver de uoplyste fotocellemoduler til en parasitær belastning. I en sådan situation genererer de ikke kun energi, men tager også energi fra de arbejdende elementer.

Paneler skal installeres, så der ikke er træer, bygninger eller andre forhindringer i solstrålernes vej.

Skema til strømforsyning af huset fra solen

Solcelleanlægget omfatter:

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

Controlleren i dette kredsløb beskytter både solpaneler og batterier. På den ene side forhindrer den tilbagestrømning om natten og i overskyet vejr, og på den anden side beskytter den batterierne mod overopladning/overafladning.

Batterier til solpaneler bør vælges med samme alder og kapacitet, ellers vil opladning/afladning ske ujævnt, hvilket fører til en markant forkortelse af deres levetid.

For at transformere jævnstrøm på 12, 24 eller 48 Volt til 220-volts vekselstrøm har du brug for en inverter. Det anbefales ikke at bruge bilbatterier i denne opsætning, da de ikke kan tåle hyppige genopladninger. Det er bedst at investere i specielle gel-AGM eller oversvømmede OPzS-batterier.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Principperne for drift og tilslutningsdiagrammer for solpaneler er ikke for komplicerede at forstå. Og med de videomaterialer, vi har samlet nedenfor, bliver det endnu nemmere at forstå alle finesser i funktion og installation af solpaneler.

Forståeligt og klart, hvordan en fotovoltaisk solcelle fungerer, i alle detaljer:

Se, hvordan solpaneler er opbygget, i følgende video:

Samling af et solpanel af solceller med egne hænder:

Hvert element i solenergisystemet i et sommerhus skal vælges korrekt. Uundgåelige effekttab forekommer i batterier, transformere og controlleren. Og de skal reduceres til et minimum, ellers vil solpanels allerede ret lave effektivitet blive reduceret til nul.

Har du spørgsmål under gennemgangen af materialet? Eller har du værdifuld information om emnet og kan dele den med vores læsere? Efterlad venligst dine kommentarer i blokken nedenfor.