Negli ultimi anni, la cosiddetta "energia alternativa" è diventata sempre più popolare. Particolare attenzione è riservata all'utilizzo della radiazione solare. Questo è abbastanza naturale, perché se crei un elemento in grado di convertire i raggi luminosi in elettricità, puoi ottenere gratuitamente una fonte inesauribile di energia. E un tale elemento è stato creato. È stata chiamata "fotocellula solare" o "batteria solare" e come funziona una batteria solare è abbastanza semplice da capire.

Principio operativo

L'importante è non confondere il fotovoltaico con i collettori solari (entrambi sono spesso indicati come "pannelli solari"). Se il principio di funzionamento dei collettori si basa sul riscaldamento del liquido di raffreddamento, le fotocellule producono direttamente elettricità. Il loro lavoro si basa sull'effetto fotoelettrico, che consiste nella generazione di corrente sotto l'influenza della luce solare nei materiali semiconduttori.

I semiconduttori sono anche chiamati sostanze i cui atomi contengono un numero eccessivo di elettroni (tipo n) o viceversa ne sono privi (tipo p). E quelle aree della struttura degli elementi p in cui gli elettroni potrebbero potenzialmente trovarsi erano chiamate "buchi". Di conseguenza, una fotocellula a semiconduttore è composta da due strati con tipi diversi conducibilità.

Come funzionano i pannelli solari con una struttura del genere? Nel seguente modo. Lo strato interno dell'elemento è costituito da un semiconduttore p, quello esterno, molto più sottile, è costituito da un semiconduttore n. Al confine degli strati c'è una cosiddetta "zona giunzione p-n a”, formata per la formazione di cariche volumetriche positive nello strato n e negative nello strato p.

In questo caso, nella zona di transizione si crea una certa barriera energetica, causata dalla differenza dei potenziali delle cariche. Impedisce la penetrazione dei principali portatori di carica, ma supera liberamente quelli minori e in direzioni opposte. Sotto l'azione della luce solare, parte dei fotoni viene assorbita dalla superficie dell'elemento e genera ulteriori coppie di "elettroni-buco". Cioè, elettroni e lacune si spostano da un semiconduttore all'altro, trasferendo loro una carica aggiuntiva negativa o positiva. In questo caso, la differenza di potenziale iniziale tra gli strati n e p diminuisce e viene generata una corrente elettrica nel circuito esterno.

Caratteristiche della struttura

Molte fotocellule moderne hanno una sola giunzione p-n. In questo caso, i portatori di carica che passano liberamente sono generati solo da quei fotoni la cui energia è maggiore o uguale alla larghezza della "zona proibita" al confine di transizione. Ciò significa che i fotoni con un contenuto energetico inferiore semplicemente non vengono utilizzati, il che a sua volta riduce significativamente l'efficienza della cellula. Per superare questa limitazione, sono state create fotostrutture multistrato (più spesso a quattro strati).

Consentono di utilizzare una parte molto più ampia dello spettro solare e hanno prestazioni più elevate. Inoltre, le fotocellule sono disposte in modo tale che i raggi cadano prima sul passaggio con la band gap più ampia. Allo stesso tempo, vengono assorbiti fotoni più “energivori”, mentre i fotoni con una riserva di energia inferiore vanno più in profondità e stimolano il resto degli elementi.

Cosa sono i pannelli solari?

Le celle solari, il cui principio di funzionamento si basa sull'effetto fotoelettrico, sono state create per molto tempo. La principale difficoltà nella loro produzione risiede nella selezione di materiali in grado di generare una corrente sufficientemente potente. I primi esperimenti sono stati effettuati con celle al selenio, ma la loro efficienza era estremamente bassa (circa 1%). Al giorno d'oggi, il silicio viene utilizzato principalmente nelle fotocellule, la produttività di tali dispositivi è di circa il 22%. Inoltre, vengono costantemente sviluppati nuovi tipi di cellule (ad esempio, utilizzando gallio o arseniuro di indio) con maggiore efficienza. L'efficienza massima dei pannelli solari oggi è del 44,7%.

Ma tali elementi sono molto costosi e finora sono prodotti solo in condizioni di laboratorio. Sono ampiamente utilizzate celle a base di silicio monocristallino o policristallino, nonché elementi a film sottile. Le fotobatterie a cristallo singolo sono più costose, ma hanno prestazioni più elevate, mentre i policristalli sono più economici, ma meno efficienti a causa della loro struttura disomogenea. Nella produzione di celle a film sottile non vengono utilizzati cristalli, ma strati di silicio depositati su un substrato flessibile.

Recentemente, sono state sviluppate attivamente tecnologie energetiche alternative. Si tratta di pannelli solari (SB), parchi eolici e una serie di altri dispositivi. I pannelli solari o i cosiddetti pannelli fotovoltaici sono considerati particolarmente promettenti, perché, data la vita quasi eterna del sole, tale energia è inesauribile. Nonostante il loro costo relativamente alto finora, forniscono energia gratuita e pulita. Tuttavia, i prezzi per SB stanno diminuendo anno dopo anno, il che indica grandi prospettive la loro diffusa attuazione.

Dispositivo a batteria solare

Una batteria solare è un sistema di dispositivi a semiconduttore sotto forma di convertitori fotovoltaici che convertono l'energia solare in energia diretta elettricità utilizzando il principio dell'effetto fotoelettrico.

1 - Controllore
2 - Batteria
3 - Invertitore
4 - Modulo
5 - Materiale elettrico

La batteria solare comprende i seguenti elementi:

• , costituito da due strati di materiali con conducibilità diversa. Ad esempio, può essere silicio policristallino o monocristallino con l'inclusione di altri composti chimici per creare il principio dell'effetto fotoelettrico della giunzione p-n. Cioè, un materiale ha una mancanza di elettroni e l'altro ne ha un eccesso.
• , lo strato più sottile di un elemento che resiste al trasferimento di elettroni.
• . Quando è collegato allo strato opposto, la zona barriera viene facilmente superata dagli elettroni. Di conseguenza, appare un movimento ordinato di particelle infette, cioè una corrente elettrica.
• . Fornisce accumulo e conservazione dell'energia.
• . Converte la corrente continua proveniente dal pannello solare in corrente alternata.
• . Fornisce la creazione di una tensione dell'intervallo richiesto nel sistema di batterie solari.

Principio operativo

• La luce solare sotto forma di fotoni di luce colpisce la superficie di una cella solare.
• Quando entrano in collisione con la superficie di un semiconduttore, i fotoni trasferiscono energia agli elettroni del semiconduttore.
• Gli elettroni eliminati dal semiconduttore a seguito dell'impatto superano lo strato protettivo, avendo con sé energia aggiuntiva.
• Di conseguenza, gli elettroni negativi passano nel conduttore n dal conduttore p e gli elettroni positivi fanno la manovra opposta. Tale transizione è facilitata dai campi elettrici, che questo momento sono presenti nei conduttori. Successivamente, aumentano la differenza e la forza delle cariche.

Se la batteria, illuminata dal sole, è chiusa a un certo carico con resistenza R, si osserva la comparsa di una corrente elettrica I. Il suo valore è determinato dalla resistenza del carico, dall'intensità dell'illuminazione e dalla qualità del convertitore fotoelettrico . La potenza P dissipata nel carico è determinata dalla formula P= I*U, dove U indica la tensione ai terminali della batteria.

tipi

A seconda dei materiali utilizzati, i pannelli solari possono essere:

• Pannelli di celle fotovoltaiche monocristalline. Sono efficaci, ma più costosi, l'efficienza è del 14-16%. Gli elementi monocristallini hanno una forma poligonale, per cui è difficile riempire l'intera area;
• Pannelli in silicio amorfo. Tali batterie mostrano una bassa efficienza nell'intervallo del 6-8%. Ma tra le tecnologie di conversione del silicio, hanno l'elettricità più economica;
• I pannelli di tellururo di cadmio sono realizzati sulla base della tecnologia del film. L'applicazione dello strato semiconduttore viene eseguita con uno strato di diverse centinaia di micrometri. L'efficienza è dell'11%, ma rispetto alle batterie al silicio, un watt di potenza è dieci per cento in meno;
• Pannelli basati su semiconduttori CIGS, costituiti da selenio, gallio, indio e rame. L'efficienza di tali pannelli raggiunge il 15%;
• pannelli polimerici. Questa è una specie di batterie a film sottile, il cui principio di funzionamento ricorda la fotosintesi delle piante. Include strato polimerico, strato protettivo, supporto flessibile ed elettrodi in alluminio. Efficienza 5-6%;
• I più comuni per il rapporto ottimale tra efficienza e prezzo sono i pannelli realizzati con celle fotovoltaiche policristalline. La loro efficienza raggiunge il 12-14%.

L'OdV può essere suddiviso condizionatamente anche nelle seguenti tipologie:

• Film sottile o flessibile (a base di tellururo di cadmio, cristallino e amorfo);
• Rigido(dal silicio cristallino, talvolta amorfo);
• Unilaterale(assorbe la luce su un lato);
• Bilaterale(assorbe la luce su entrambi i lati).

Peculiarità

• La carica della batteria alla luce solare debole diminuisce, dando il ricevitore elettrico energia elettrica, cioè, va lavoro permanente in modalità carica e scarica. Il controllo è eseguito da un controller speciale.
• SB non necessita di particolari manutenzioni preventive. Potrebbe essere necessario solo spolverare.
• I pannelli possono essere utilizzati anche in inverno, tuttavia, la produttività durante questo periodo diminuisce da una volta e mezza a due volte. Per evitare che la neve si accumuli sui pannelli, dovrebbero essere installati con un angolo di 70 gradi su una collina.
• I pannelli solari sono più adatti per i sistemi off-grid che hanno molti elettrodomestici ad alta efficienza energetica che non sono sempre accesi.

Applicazione

I pannelli solari possono essere utilizzati quasi ovunque:

• Veicoli elettrici.
• Elettronica portatile.
• Calcolatrici, torce, lettori e così via, ovvero ovunque sia necessario ricaricare le batterie di vari elettronica di consumo.
• Aviazione. È così che è stato creato il velivolo Solar Impulse, alimentato solo dall'energia solare.
• Alimentazione per case, scuole, aeroporti e altri edifici. I pannelli solari sono ampiamente utilizzati nelle regioni subtropicali e tropicali dove ci sono molte giornate di sole. Sono particolarmente popolari nei paesi mediterranei.
• utilizzare nello spazio. Gli SB sono installati sulla ISS, installati su satelliti, veicoli spaziali e interplanetari e molto altro.

Vantaggi e svantaggi

Tra i vantaggi ci sono:

• Compatibilità ambientale;
• Durabilità, le celle solari durano diversi decenni;
• Principio di funzionamento semplice. Per questo motivo, non ci sono praticamente guasti nella batteria solare;
• silenziosità;
• Possibilità di lavoro a tempo indeterminato;
• Non c'è bisogno di carburante;
• pubblicità;
• La capacità di cambiare la potenza del sistema.

Tra le carenze si possono notare:

• Bassa efficienza. Abbiamo bisogno di un'ampia area batteria per soddisfare le esigenze anche di una piccola famiglia;
• La complessità dell'assemblaggio e della regolazione del sistema;
• Il costo piuttosto elevato dei pannelli solari, nonché il basso ammortamento dell'impianto.

prospettive

Il desiderio dell'umanità per il rispetto dell'ambiente e il rifiuto del petrolio porteranno all'introduzione di sempre più tecnologie per il risparmio energetico. Ciò significa che i pannelli solari saranno utilizzati ovunque. E la realizzazione di pannelli con maggiore efficienza consentirà:

• Dotare la maggior parte degli edifici di pannelli energetici;
• Montali in auto, strade, robot e numerosi altri dispositivi;
• Installali nei vestiti e persino impiantali in una persona. Gli scienziati sudcoreani hanno già creato una cella solare sottocutanea che è 15 volte più sottile di un capello. Garantisce il buon funzionamento dei dispositivi impiantati nel corpo, ad esempio un pacemaker.

Il sole è una fonte inesauribile di energia. Può essere utilizzato bruciando alberi o riscaldando l'acqua nei riscaldatori solari, convertendo il calore risultante in elettricità. Ma ci sono dispositivi che convertono direttamente la luce solare in elettricità. Questi sono pannelli solari.

Ambito di applicazione

Esistono tre modi per utilizzare l'energia solare:

• Risparmio di elettricità. I pannelli solari consentono di eliminare o ridurre il consumo di elettricità centralizzata, oltre a vendere l'elettricità in eccesso all'azienda fornitrice di energia.
• Fornitura di elettricità a oggetti, la cui fornitura di linee elettriche è impossibile o non redditizia dal punto di vista economico. Potrebbe trattarsi di un cottage o di un casino di caccia, situato lontano dalle linee elettriche. Tali dispositivi vengono utilizzati anche per alimentare lampade in aree remote del giardino o nelle fermate degli autobus.
• Potenza mobile e dispositivi portatili. Durante le escursioni, le battute di pesca e altre attività simili, è necessario caricare telefoni, fotocamere e altri gadget. Anche le celle solari vengono utilizzate per questo.

I pannelli solari sono convenienti da usare dove l'elettricità non può essere fornita.

Principio di funzionamento

Gli elementi delle batterie solari sono lastre di silicio con uno spessore di 0,3 mm. Dal lato su cui cade la luce, al piatto viene aggiunto del boro. Ciò porta alla comparsa di una quantità eccessiva di elettroni liberi. Sul retro viene aggiunto il fosforo, che porta alla formazione di "buchi". Il confine tra loro è chiamato giunzione p-n. Quando la luce colpisce la piastra, "butta fuori" gli elettroni sul lato posteriore. Questo crea una potenziale differenza. Indipendentemente dalle dimensioni dell'elemento, una cella sviluppa una tensione di 0,7 V. Per aumentare la tensione, sono collegate in serie e per aumentare la corrente, sono collegate in parallelo.

Opinione di un esperto

Alexey Bartosh

Specialista nella riparazione, manutenzione di apparecchiature elettriche ed elettroniche industriali.

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In alcuni modelli, per aumentare la potenza, venivano installate lenti sopra gli elementi o veniva utilizzato un sistema di specchi. Con la diminuzione del costo delle batterie, tali dispositivi sono diventati irrilevanti.

La massima efficienza del pannello, e, di conseguenza, la potenza, si ottiene quando la luce cade con un angolo di 90 gradi. In alcuni dispositivi fissi, la batteria gira dopo il sole, ma questo aumenta notevolmente il costo e appesantisce la struttura.

Il principio di funzionamento della batteria solare

Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo delle batterie

I pannelli solari, come qualsiasi dispositivo, presentano vantaggi e svantaggi legati al principio di funzionamento e alle caratteristiche costruttive.

Vantaggi dei pannelli solari:

• Autonomia. Consente di fornire elettricità a edifici o infissi remoti e lavorare dispositivi mobili in condizioni escursionistiche.
• Redditività. Per generare elettricità, viene utilizzata la luce del sole, per la quale non devi pagare. Pertanto, i FES (sistemi fotovoltaici) si ripagano in 10 anni, che è inferiore alla vita utile di oltre 30. Inoltre, 25-30 anni è un periodo di garanzia e l'impianto fotovoltaico funzionerà dopo di esso, portando profitto al proprietario . Naturalmente, è necessario tenere conto della sostituzione periodica di inverter e batterie, ma comunque l'uso di una tale centrale elettrica aiuta a risparmiare denaro.
• Compatibilità ambientale. Durante il funzionamento, i dispositivi non inquinano l'ambiente e non producono rumore, a differenza delle centrali elettriche che funzionano con altri tipi di combustibili.

Oltre ai vantaggi, FES presenta degli svantaggi:

• Alto prezzo. Un tale sistema è piuttosto costoso, soprattutto considerando il prezzo di batterie e inverter.
• Lungo periodo di ammortamento. I fondi investiti nell'impianto fotovoltaico si ripagheranno solo dopo 10 anni. Questo è più della maggior parte degli altri investimenti.
• Gli impianti fotovoltaici occupano molto spazio: l'intero tetto e le pareti di un edificio. Ciò viola il design dell'edificio. Inoltre, le batterie ad alta capacità occupano un'intera stanza.
• Generazione di energia irregolare. La potenza del dispositivo dipende dal tempo e dall'ora del giorno. Questo viene compensato installando batterie ricaricabili o collegando il sistema alla rete. Ciò consente durante il bel tempo durante il giorno di vendere l'elettricità in eccesso alla compagnia elettrica e di notte, al contrario, di collegare l'apparecchiatura alla rete elettrica centralizzata.

Specifiche: cosa cercare

Il parametro principale di un sistema a fotocellule è la potenza. La tensione di tale installazione raggiunge il massimo in condizioni di luce intensa e dipende dal numero di elementi collegati in serie, che in quasi tutti i modelli è 36. La potenza dipende dall'area di un elemento e dal numero di catene di 36 pezzi collegati in parallelo.

Oltre alle batterie stesse, è importante scegliere un controller di carica della batteria e un inverter che converta la carica della batteria in tensione di rete, così come i pannelli stessi.

Le batterie hanno corrente ammissibile carica, che non deve essere superata, altrimenti il ​​sistema si guasta. Conoscendo la tensione delle batterie, è facile determinare la potenza necessaria per la ricarica. Deve essere maggiore della capacità della centrale solare, altrimenti in una giornata di sole parte dell'energia sarà inutilizzata.

Il controller carica le batterie e deve anche essere in grado di utilizzare completamente l'energia solare.

Le apparecchiature che ricevono energia dalla centrale solare sono collegate all'inverter, quindi la sua potenza deve corrispondere alla potenza totale degli apparecchi elettrici.

Tipi di pannelli solari

Oltre alle dimensioni e alla potenza, i pannelli si differenziano per il modo in cui i singoli elementi sono realizzati in silicio.

Aspetto esteriore pannelli mono e policristallini

Elementi in silicio monocristallino

Le celle solari in silicio monocristallino hanno la forma di un quadrato con angoli arrotondati. Ciò è dovuto alla tecnologia di produzione:

• un cristallo cilindrico è cresciuto da silicio fuso altamente purificato;
• dopo il raffreddamento, i bordi del cilindro vengono tagliati e la base del cerchio assume la forma di un quadrato con angoli arrotondati;
• la barra risultante viene tagliata in lastre di 0,3 mm di spessore;
• boro e fosforo vengono aggiunti alle piastre e su di esse vengono incollate strisce di contatto;
• una cella della batteria è assemblata da elementi già pronti.

La cella finita è fissata sulla base e rivestita di vetro che trasmette i raggi ultravioletti o è laminato.

Tali dispositivi si distinguono per la massima efficienza e affidabilità, quindi sono installati in luoghi importanti, ad esempio nei veicoli spaziali.

Celle fotovoltaiche in silicio policristallino

Oltre agli elementi di un singolo cristallo, esistono dispositivi in ​​cui le fotocellule sono realizzate in silicio policristallino. La tecnologia di produzione è simile. La differenza principale è che al posto di un cristallo rotondo viene utilizzata una barra rettangolare, composta da un largo numero piccoli cristalli di varie forme e dimensioni. Pertanto, gli elementi sono ottenuti di forma rettangolare o quadrata.

I rifiuti della produzione di microcircuiti e fotocellule vengono presi come materie prime. Ciò riduce il costo del prodotto finito, ma ne peggiora la qualità. Tali dispositivi hanno un'efficienza inferiore: una media del 18% contro il 20-22% delle batterie a cristallo singolo. Tuttavia, la questione della scelta è piuttosto complicata. Per diversi produttori, il prezzo di un kilowatt di potenza di pannelli monocristallini e policristallini può essere lo stesso o a favore di qualsiasi tipo di dispositivo.

Celle solari in silicio amorfo

Negli ultimi anni sono diventate popolari le batterie flessibili, più leggere di quelle rigide. La tecnologia della loro fabbricazione differisce dalla tecnologia di produzione di pannelli mono e policristallini: sottili strati di silicio con additivi vengono spruzzati su una base flessibile, solitamente una lamiera d'acciaio, fino a raggiungere lo spessore richiesto. Successivamente, i fogli vengono tagliati, le strisce conduttive vengono incollate su di essi e l'intera struttura viene laminata.

Pannelli solari in silicio amorfo

L'efficienza di tali batterie è circa 2 volte inferiore a quella delle strutture rigide, tuttavia sono più leggere e resistenti poiché possono essere piegate.

Tali dispositivi sono più costosi del solito, ma non hanno alternative in condizioni di campo, quando leggerezza e affidabilità sono di primaria importanza. I pannelli possono essere cuciti su una tenda o uno zaino e le batterie possono essere ricaricate durante il movimento. Una volta piegati, tali dispositivi sembrano un libro o un disegno arrotolato che può essere posizionato in una custodia simile a un tubo.

Oltre a caricare i dispositivi mobili in movimento, i pannelli flessibili sono installati nelle auto elettriche e negli aerei elettrici. Sul tetto, tali dispositivi ripetono le curve delle tegole e, se si utilizza il vetro come base, assume l'aspetto di colorato e può essere inserito nella finestra di una casa o di una serra.

Regolatore di carica solare

Il collegamento diretto del pannello alla batteria presenta degli svantaggi:

• Una batteria con tensione nominale di 12 V verrà caricata solo quando la tensione all'uscita delle fotocellule raggiunge i 14,4 V, che è prossima al massimo. Ciò significa che le batterie non si caricheranno per una parte del tempo.
• La tensione massima delle fotocellule è 18 V. Con questa tensione, la corrente di carica della batteria sarà troppo alta e si guasteranno rapidamente.

Per evitare questi problemi, è necessario installare un regolatore di carica. I design più comuni sono PWM e MPPT.

Regolatore di carica PWM

Il funzionamento del controller PWM (modulazione di larghezza di impulso - modulazione di larghezza di impulso inglese - PWM) mantiene una tensione costante all'uscita. Questo fornisce grado massimo carica della batteria e la sua protezione contro il surriscaldamento durante la ricarica.

Regolatore di carica MPPT

Il controller MPPT (Maximum power point tracker) fornisce un valore di tensione e corrente in uscita che consente di massimizzare il potenziale della batteria solare, indipendentemente dalla luminosità della luce solare. Con una luminosità ridotta della luce, aumenta la tensione di uscita al livello necessario per caricare le batterie.

Un tale sistema si trova in tutti i moderni inverter e controller di carica.

Tipi di batterie utilizzate nelle batterie

Vari tipi di batterie utilizzabili per i pannelli solari

Le batterie sono un elemento importante del sistema di alimentazione 24 ore su 24 della casa con energia solare.

Questi dispositivi utilizzano i seguenti tipi di batterie:

• antipasto;
• gel;
• batterie AGM;
• batterie allagate (OPZS) e sigillate (OPZV).

Altri tipi di batterie, come le batterie alcaline o al litio, sono costose e utilizzate raramente.

Tutti questi tipi di dispositivi devono funzionare a temperature comprese tra +15 e +30 gradi.

Batterie di avviamento

Il tipo più comune di batterie. Sono economici, ma hanno un'elevata corrente di autoscarica. Pertanto, dopo alcuni giorni nuvolosi, le batterie si scaricheranno anche se non c'è carico.

Lo svantaggio di tali dispositivi è che l'evoluzione del gas si verifica durante il funzionamento. Pertanto, devono essere installati in un'area non residenziale e ben ventilata.

Inoltre, la durata di tali batterie è fino a 1,5 anni, soprattutto con più cicli di carica-scarica. Pertanto, a lungo termine, questi dispositivi saranno i più costosi.

Batterie al gel

Le batterie al gel sono prodotti esenti da manutenzione. Durante il funzionamento non c'è emissione di gas, quindi possono essere installati in un soggiorno e in una stanza senza ventilazione.

Tali dispositivi forniscono un'elevata corrente di uscita, un'elevata capacità e una bassa corrente di autoscarica.

Lo svantaggio di tali dispositivi è il prezzo elevato e la breve durata.

batterie AGM

Queste batterie hanno una vita breve, tuttavia hanno molti vantaggi:

• nessuna emissione di gas durante il funzionamento;
• taglia piccola;
• un gran numero (circa 600) cicli di carica-scarica;
• ricarica rapida (fino a 8 ore);
• buone prestazioni quando non completamente carico.

Batteria AGM all'interno

Batterie allagate (OPZS) e sigillate (OPZV).

Tali dispositivi sono i più affidabili e hanno la durata di servizio più lunga. Hanno una bassa corrente di autoscarica e un elevato consumo energetico.

Queste qualità rendono tali dispositivi i più popolari per l'installazione in sistemi di fotocellule.

Come determinare la dimensione e il numero delle fotocellule?

Le dimensioni e il numero di fotocellule richieste dipendono dalla tensione, corrente e potenza che si vogliono ottenere dalla batteria. La tensione di un elemento in una giornata di sole è 0,5 V. Quando è nuvoloso, è molto più bassa. Pertanto, per caricare batterie da 12 V, si collegano in serie 36 fotocellule. Di conseguenza, le batterie da 24 V richiedono 72 celle e così via. Il loro numero totale dipende dall'area di un elemento e dalla potenza richiesta.

Un metro quadrato di superficie della batteria, tenendo conto dell'efficienza, può produrre circa 150 watt. Più precisamente, può essere determinato da libri di riferimento meteorologici che mostrano la quantità di radiazione solare nel luogo di installazione della centrale solare o su Internet. L'efficienza del dispositivo è indicata nel passaporto.

Quando si realizza una centrale fotovoltaica con le proprie mani importo richiesto elementi è determinato dalla potenza di un elemento in un dato clima, tenendo conto dell'efficienza.

Il calcolo del numero di pannelli solari deriva dall'elettricità richiesta

Efficienza dei pannelli solari in inverno

Anche se in inverno il sole sorge più basso, la quantità di luce diminuisce leggermente, soprattutto dopo la neve.

Ci sono tre ragioni principali per cui le celle solari sono meno efficienti in inverno:

• L'angolo di incidenza dei raggi cambia. Per mantenere la carica, l'angolazione della batteria deve essere cambiata almeno una volta a stagione e preferibilmente ogni mese.
• La neve, in particolare quella bagnata, si attacca alla superficie del dispositivo. Deve essere rimosso immediatamente dopo essere caduto.
• In inverno, le ore di luce del giorno sono più brevi e ci sono giornate più nuvolose. È impossibile cambiarlo, quindi devi calcolare la potenza della batteria in base al minimo invernale.

Regole di installazione

La massima potenza del pannello si ottiene in una posizione in cui i raggi solari cadono perpendicolarmente. Questo deve essere preso in considerazione durante l'installazione. È anche importante considerare a che ora del giorno è la nuvolosità minima. Se l'angolo del tetto e la sua posizione non soddisfano i requisiti, viene corretto regolando la base.

Dovrebbe esserci un traferro di 15-20 centimetri tra la batteria e il tetto. Ciò è necessario per il flusso di pioggia e la protezione dal surriscaldamento.

Le celle fotovoltaiche non funzionano bene all'ombra, quindi dovresti evitare di posizionarle all'ombra di edifici e alberi.

Le centrali elettriche da fotocellule solari sono una promettente fonte di energia ecologica. Il loro uso diffuso risolverà problemi di mancanza di energia, inquinamento ambiente e l'effetto serra.

Al giorno d'oggi, quasi tutti possono raccogliere e mettere a disposizione la propria fonte di energia elettrica indipendente su batterie solari (nella letteratura scientifica sono chiamati pannelli fotovoltaici).

Le apparecchiature costose nel tempo sono compensate dall'opportunità di ricevere elettricità gratuita. È importante che i pannelli solari siano una fonte di energia ecologica. Negli ultimi anni i prezzi dei pannelli fotovoltaici sono diminuiti decine di volte e continuano a diminuire, il che indica grandi prospettive per il loro utilizzo.

Nella sua forma classica, tale fonte di elettricità sarà composta dalle seguenti parti: direttamente, una batteria solare (generatore CC), una batteria con un dispositivo di controllo della carica e un inverter che converte DC in una variabile.

I pannelli solari sono costituiti da un insieme di celle solari (convertitori fotovoltaici) che convertono direttamente l'energia solare in energia elettrica.

La maggior parte delle celle solari sono realizzate in silicio, che è piuttosto costoso. Questo fatto determinerà l'alto costo dell'energia elettrica, che si ottiene utilizzando i pannelli solari.

Sono comuni due tipi di convertitori fotoelettrici: quelli realizzati in silicio monocristallino e policristallino. Differiscono nella tecnologia di produzione. I primi hanno un'efficienza fino al 17,5% e i secondi - 15%.

più importante parametro tecnico pannello solare, che ha un impatto importante sull'efficienza dell'intera installazione, è il suo potere utile. È determinato dalla tensione e dalla corrente di uscita. Questi parametri dipendono dall'intensità della luce solare che cade sulla batteria.

La forza elettromotrice delle singole celle solari non dipende dalla loro area e diminuisce quando la batteria viene riscaldata dal sole, di circa lo 0,4% per 1 g. C. La corrente di uscita dipende dall'intensità della radiazione solare e dalla dimensione delle celle solari. Più luminosa è la luce solare, maggiore è la corrente generata dalle celle solari. La corrente di carica e la potenza di uscita con tempo nuvoloso sono nettamente ridotte. Ciò è dovuto a una diminuzione della corrente fornita dalla batteria.

Se una batteria illuminata dal sole è chiusa a un carico con resistenza Rn, nel circuito appare una corrente elettrica I, il cui valore è determinato dalla qualità del convertitore fotoelettrico, dall'intensità dell'illuminazione e dalla resistenza del carico. La potenza Pn, che viene rilasciata nel carico, è determinata dal prodotto Pn = InUn, dove Un è la tensione ai terminali della batteria.

La massima potenza viene rilasciata nel carico a una resistenza ottimale Ropt, che corrisponde al più alto coefficiente di prestazione (efficienza) di conversione dell'energia luminosa in energia elettrica. Ogni trasduttore ha il proprio valore Ropt, che dipende dalla qualità, dalle dimensioni della superficie di lavoro e dal grado di illuminazione.

Una cella solare è costituita da singole celle solari collegate in serie e in parallelo per aumentare i parametri di uscita (corrente, tensione e potenza). Quando gli elementi sono collegati in serie, la tensione di uscita aumenta, mentre in parallelo, la corrente di uscita aumenta.

Per aumentare sia la corrente che la tensione, questi due metodi di connessione sono combinati. Inoltre, con questo metodo di collegamento, il guasto di una delle celle solari non comporta il guasto dell'intera catena, ovvero migliora l'affidabilità dell'intera batteria.

Pertanto, la batteria solare è costituita da celle solari collegate in serie parallela. Valore massimo corrente possibile data dalla batteria è direttamente proporzionale al numero di celle solari collegate in parallelo e alla forza elettromotrice - collegate in serie. Quindi, combinando i tipi di connessione, viene assemblata una batteria con i parametri richiesti.

Le celle solari della batteria sono deviate da diodi. Di solito ce ne sono 4, uno per ogni ¼ parte della batteria. I diodi proteggono le parti della batteria dal guasto, che per qualche motivo si è rivelato oscurato, cioè se a un certo punto la luce non cade su di esse.

La batteria genererà temporaneamente il 25% di potenza in meno rispetto a quando l'intera superficie della batteria è esposta alla normale luce solare.

In assenza di diodi, queste celle solari si surriscaldano e si guastano, poiché si trasformano in consumatori di corrente durante il blackout (le batterie vengono scaricate attraverso le celle solari) e quando vengono utilizzati i diodi, vengono deviati e non scorre corrente attraverso di essi.

L'energia elettrica risultante viene immagazzinata nelle batterie e quindi trasferita al carico. Accumulatori - sorgenti chimiche di corrente. La batteria si carica quando viene applicato un potenziale maggiore della tensione della batteria.

Il numero di celle solari collegate in serie e in parallelo deve essere tale che la tensione di esercizio fornita alle batterie, tenendo conto della caduta di tensione nel circuito di carica, superi leggermente la tensione delle batterie e la corrente di carico della batteria fornisce la quantità di corrente di carica richiesta.

Ad esempio, per caricare una batteria al piombo-acido da 12 V, è necessario disporre di una batteria solare composta da 36 celle.

In presenza di luce solare debole, la carica della batteria diminuisce e la batteria cede energia elettrica al ricevitore elettrico, ad es. Le batterie ricaricabili funzionano costantemente nella modalità di scarica e ricarica.

Questo processo è controllato da un controller speciale. La carica ciclica richiede una tensione costante o una corrente di carica costante.

In buona luce, la batteria viene caricata rapidamente al 90% della sua capacità nominale, quindi a una velocità di carica più lenta fino alla piena capacità. Il passaggio a una velocità di carica inferiore è controllato dal controller del caricatore.

Il più efficace è l'uso di batterie speciali: batterie al gel (l'acido solforico viene utilizzato come elettrolita nella batteria) e batterie al piombo, realizzate utilizzando la tecnologia AGM. Queste batterie non richiedono condizioni speciali per l'installazione e la manutenzione. La durata del passaporto di tali batterie è di 10 - 12 anni con una profondità di scarica non superiore al 20%. Le batterie non devono mai essere scaricate al di sotto di questo valore, altrimenti la loro vita utile sarà drasticamente ridotta!

La batteria è collegata alla batteria solare tramite un controller che ne controlla la carica. Quando la batteria è carica a piena capacità, al pannello solare viene collegata una resistenza che assorbe la potenza in eccesso.

Per convertire la tensione CC dalla batteria in tensione CA, che può essere utilizzata per alimentare la maggior parte dei ricevitori elettrici insieme ai pannelli solari, è possibile utilizzare dispositivi speciali- inverter.

Senza l'utilizzo di un inverter da batteria solare, è possibile alimentare ricevitori elettrici funzionanti a tensione costante, incl. varie apparecchiature portatili, sorgenti luminose a risparmio energetico, ad esempio, le stesse lampade a LED.

Autore del testo: Andrey Povny. Il testo è stato pubblicato per la prima volta sul sito Electricik.info. Ristampato con il permesso degli editori.

La scienza ci ha dato un momento in cui la tecnologia di utilizzo dell'energia solare è diventata pubblicamente disponibile. Qualsiasi proprietario ha l'opportunità di ottenere pannelli solari per la casa. I residenti estivi non sono molto indietro in questa materia. Spesso si trovano lontano da fonti centralizzate di approvvigionamento elettrico sostenibile.

Ti suggeriamo di familiarizzare con le informazioni che rappresentano il dispositivo, i principi di funzionamento e di calcolo delle unità di lavoro del sistema solare. La conoscenza delle informazioni che abbiamo proposto avvicinerà la realtà della fornitura di elettricità naturale al tuo sito.

Per la percezione visiva dei dati forniti si allegano schemi dettagliati, illustrazioni, istruzioni fotografiche e video.

Il dispositivo e il principio di funzionamento della batteria solare

C'era una volta, menti curiose scoprirono per noi sostanze naturali che producono sotto l'influenza di particelle di luce del sole, fotoni,. Il processo è stato chiamato effetto fotoelettrico. Gli scienziati hanno imparato a controllare il fenomeno microfisico.

Basandosi su materiali semiconduttori, hanno creato dispositivi elettronici compatti: fotocellule.

I produttori hanno imparato la tecnologia per combinare convertitori miniaturizzati in efficienti pannelli solari. L'efficienza dei moduli solari a pannelli in silicio ampiamente prodotti dall'industria è del 18-22%.

È chiaramente visibile dalla descrizione dello schema: tutti i componenti della centrale elettrica sono ugualmente importanti - il funzionamento coordinato del sistema dipende dalla loro selezione competente

Una batteria solare è assemblata dai moduli. È il punto finale del viaggio dei fotoni dal Sole alla Terra. Da qui, questi componenti della radiazione luminosa continuano la loro strada già all'interno circuito elettrico come le particelle DC.

Sono distribuiti tra le batterie, oppure si trasformano in cariche di corrente elettrica alternata a 220 volt che alimentano tutti i tipi di dispositivi tecnici domestici.

Una batteria solare è un complesso di dispositivi semiconduttori collegati in serie: fotocellule che convertono l'energia solare in energia elettrica.

Troverai maggiori dettagli sulle specifiche del dispositivo e sul principio di funzionamento della batteria solare in un altro dei nostri siti.

Tipi di moduli-pannelli solari

I moduli di pannelli solari sono assemblati da celle solari, altrimenti - convertitori fotovoltaici. FEP di due tipi hanno trovato applicazione di massa.

Si differenziano per le varietà di semiconduttori di silicio utilizzati per la loro fabbricazione, questi sono:

• Policristallino. Si tratta di celle solari realizzate con silicio fuso mediante raffreddamento a lungo termine. Un semplice metodo di produzione rende il prezzo accessibile, ma le prestazioni della versione policristallina non superano il 12%.
• Monocristallino. Questi sono elementi ottenuti come risultato del taglio di cristalli di silicio cresciuti artificialmente in lastre sottili. L'opzione più produttiva e costosa. L'efficienza media è di circa il 17%, si possono trovare celle fotovoltaiche monocristalline con prestazioni superiori.

Celle solari policristalline di forma quadrata piatta con superficie non uniforme. Le varietà a cristallo singolo appaiono come quadrati sottili di struttura superficiale uniforme con angoli tagliati (pseudo-quadrati).

Ecco come si presentano le celle solari - convertitori fotovoltaici: le caratteristiche del modulo solare non dipendono dal tipo di elementi utilizzati - questo influisce solo sulle dimensioni e sul prezzo

I pannelli del primo design, a parità di potenza, sono di dimensioni maggiori rispetto ai secondi per via della minore efficienza (18% contro 22%). Ma le percentuali, in media, sono dieci in meno e sono più richieste.

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Puoi conoscere le regole e le sfumature della scelta dei pannelli solari per fornire energia di riscaldamento autonomo.

Schema di alimentazione solare

Quando si osservano i nomi dal suono misterioso dei nodi che compongono il sistema di energia solare, viene il pensiero alla complessità super tecnica del dispositivo.

A livello micro della vita di un fotone, è così. E chiaramente schema generale Il circuito elettrico e il principio del suo funzionamento sembrano molto semplici. Ci sono solo quattro passi dal luminare del cielo al "bulbo di Ilic".

I moduli solari sono il primo componente di una centrale elettrica. Si tratta di sottili pannelli rettangolari assemblati da un certo numero di piastre fotocellule standard. I produttori realizzano fotopannelli diversi per potenza elettrica e tensione, un multiplo di 12 volt.

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I dispositivi a forma piatta sono convenientemente posizionati su superfici aperte ai raggi diretti. I blocchi modulari sono combinati per mezzo di collegamenti reciproci in una batteria solare. Il compito della batteria è convertire l'energia ricevuta dal sole, emettendo una corrente costante di un determinato valore.

Dispositivi di memoria carica elettrica- noto a tutti. Il loro ruolo all'interno del sistema di approvvigionamento energetico del sole è tradizionale. Quando i consumatori domestici sono collegati a una rete centralizzata, l'accumulo di energia viene immagazzinato con l'elettricità.

Accumulano anche il suo surplus se c'è abbastanza corrente dal modulo solare per fornire l'energia consumata dagli apparecchi elettrici.

Il pacco batterie fornisce al circuito la quantità di energia richiesta e mantiene una tensione stabile non appena il consumo in esso sale a un valore maggiore. La stessa cosa accade, ad esempio, di notte con pannelli fotografici non funzionanti o in condizioni di scarsa luminosità.

Il controller è un intermediario elettronico tra il modulo solare e le batterie. Il suo ruolo è quello di regolare il livello di carica della batteria. Il dispositivo non consente loro di bollire dal sovraccarico o che il potenziale elettrico scenda al di sotto di una certa norma, necessaria per il funzionamento stabile dell'intero sistema solare.

Girando, ecco come viene letteralmente spiegato il suono del termine. Sì, perché in effetti questo nodo svolge una funzione che un tempo sembrava fantastica agli ingegneri elettrici.

Converte la corrente continua del modulo solare e delle batterie in corrente alternata con una differenza di potenziale di 220 volt. È questa tensione che funziona per la stragrande maggioranza degli elettrodomestici.

Il flusso di energia solare è proporzionale alla posizione dell'apparecchio: in fase di installazione dei moduli sarebbe bene provvedere alla regolazione dell'angolo di inclinazione a seconda della stagione

Picco di carico e consumo energetico medio giornaliero

Il piacere di avere la propria stazione solare vale ancora molto. Il primo passo per sfruttare la potenza dell'energia solare è determinare il carico di picco ottimale in kilowatt e il consumo energetico medio giornaliero razionale in kilowattora di una famiglia o di una casa di campagna.

Il carico di picco è creato dalla necessità di accendere più dispositivi elettrici contemporaneamente ed è determinato dalla loro potenza massima totale, tenendo conto delle caratteristiche di avviamento sovrastimate di alcuni di essi.

Il calcolo del consumo massimo di energia consente di identificare se il funzionamento simultaneo di quali apparecchi elettrici è vitale e quali no. Le caratteristiche di potenza dei nodi della centrale elettrica, ovvero il costo totale del dispositivo, sono soggette a questo indicatore.

Il consumo energetico giornaliero di un elettrodomestico è misurato dal prodotto della sua potenza individuale per il tempo in cui ha funzionato dalla rete (elettricità consumata) durante il giorno. Il consumo energetico medio giornaliero totale è calcolato come somma dell'energia elettrica consumata da ciascun consumatore per un periodo giornaliero.

Predisposizione di un'unità di alimentazione a batteria

Quando si scelgono le batterie, è necessario essere guidati dai postulati:

1. NON adatto a questo scopo batterie per auto. Le batterie delle centrali solari sono contrassegnate dalla scritta "SOLAR".
2. Le batterie devono essere acquistate solo identiche sotto tutti gli aspetti, preferibilmente dallo stesso lotto di fabbrica.
3. La stanza in cui si trova la batteria dovrebbe essere calda. Temperatura ottimale quando le batterie forniscono piena potenza = 25⁰C. Quando scende a -5⁰C, la capacità della batteria diminuisce del 50%.

Se prendiamo per il calcolo una batteria esemplare con una tensione di 12 volt con una capacità di 100 ampere / ora, è facile calcolare che può fornire ai consumatori energia con una potenza totale di 1200 watt per un'ora. Ma questo è a pieno regime, il che è altamente indesiderabile.

NON è consigliabile ridurre la carica della batteria al di sotto del 70% per una lunga durata della batteria. Cifra limite = 50%. Prendendo il numero 60% come “media aurea”, poniamo come base per i calcoli successivi la riserva di energia di 720 W/h ogni 100 Ah della componente capacitiva della batteria (1200 W/h x 60%).

È possibile che l'acquisto di una batteria con una capacità di 200 Ah abbia un costo inferiore rispetto all'acquisto di due su 100 e il numero di connessioni dei contatti della batteria diminuirà.

Inizialmente, le batterie devono essere installate cariche al 100% da una fonte di corrente stazionaria. Le batterie devono coprire completamente i carichi dell'ora buia della giornata. Se sei sfortunato con il tempo, mantieni i parametri di sistema necessari durante il giorno.

È importante considerare che un'alimentazione eccessiva di batterie comporterà la loro costante sottocarica. Ciò ridurrà notevolmente la durata. La soluzione più razionale è dotare l'unità di batterie con una riserva di energia sufficiente a coprire un consumo energetico giornaliero.

Per conoscere la capacità totale della batteria richiesta, dividiamo il consumo energetico giornaliero totale di 12.000 W/h per 720 W/h e moltiplichiamo per 100 Ah:

12.000 / 720 * 100 = 2500 A*h ≈ 1600 A*h

In totale, per il nostro esempio, sono necessarie 16 batterie con una capacità di 100 o 8 da 200 Ah, collegate in serie-parallelo.

La scelta di un buon controller

La selezione delle competenze (ACB) è un compito molto specifico. I suoi parametri di ingresso devono corrispondere ai moduli solari selezionati e la tensione di uscita deve corrispondere alla differenza di potenziale interna del sistema solare (nel nostro esempio, 24 volt).

Un buon controllore deve fornire:

1. Ricarica della batteria a più stadi, moltiplicando la loro durata effettiva.
2. Mutuo automatico, batteria e batteria solare, connessione-disconnessione in correlazione con carica-scarica.
3. Ricollegare il carico dalla batteria alla batteria solare e viceversa.

Questo piccolo nodo è una componente molto importante.

Se alcuni dei consumatori (ad esempio l'illuminazione) vengono trasferiti a un'alimentazione diretta a 12 volt dal controller, l'inverter ne avrà bisogno di uno meno potente, il che significa uno più economico.

Da giusta scelta controller dipende dal funzionamento senza problemi di un pacco batteria costoso e dall'equilibrio dell'intero sistema.

Selezione dell'inverter con le migliori prestazioni

L'inverter è selezionato con una potenza tale da poter fornire un carico di picco a lungo termine. La sua tensione di ingresso deve corrispondere alla differenza di potenziale interna del sistema solare.

1. La forma e la frequenza dell'emissione corrente alternata. Più è vicino a una sinusoide di 50 hertz, meglio è.
2. efficienza del dispositivo. Più alto è il 90%, meglio è.
3. Autoconsumo del dispositivo. Dovrebbe essere commisurato al consumo energetico complessivo del sistema. Ideale - fino all'1%.
4. La capacità del nodo di resistere a un doppio sovraccarico a breve termine.

La migliore prestazione è un inverter con una funzione di controllo integrata.

Montaggio di un impianto solare domestico

Ti abbiamo fatto una selezione di foto che dimostra chiaramente il processo di assemblaggio di un sistema solare domestico da moduli prodotti in fabbrica:

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Prima di costruire una mini centrale elettrica, è necessario calcolare la potenza richiesta di un gruppo di dispositivi e determinarne il numero

Nel negozio, prima di acquistare, dovresti controllare attentamente il set completo di ciascun dispositivo e ispezionarli per verificare che non siano danneggiati.

Fase 3: trasporto degli elementi del sistema solare

Conclusioni e video utili sull'argomento

Rullo n. 1. Mostrare l'installazione di pannelli solari sul tetto della casa con le tue mani:

Rullo n. 2. La scelta delle batterie per il sistema solare, tipologie, differenze:

Rullo n. 3. Centrale solare di campagna per chi fa tutto da solo:

I metodi pratici di calcolo considerati passo dopo passo, il principio di base del funzionamento efficace di una moderna batteria di pannelli solari come parte di un'eliostazione autonoma domestica aiuteranno i proprietari e grande casa un'area densamente popolata e una casa di campagna nella natura selvaggia per ottenere la sovranità energetica.