Napjainkban szinte mindenki összeállíthatja és rendelkezésére bocsáthatja a saját független áramforrását napelemek segítségével (a tudományos irodalomban ezeket fotovoltaikus paneleknek nevezik).
Idővel a drága berendezéseket ellensúlyozza az ingyenes áramszolgáltatás lehetősége. Fontos, hogy a napelemek környezetbarát energiaforrások legyenek. Az elmúlt években a fotovoltaikus panelek árai tízszeresére estek, és továbbra is csökkennek, ami nagy kilátásokat jelez a használatukra.
BAN BEN klasszikus megjelenés egy ilyen áramforrás a következő részekből áll majd: közvetlenül, egy napelem (DC generátor), egy akkumulátor töltésszabályozó eszközzel és egy inverter, amely az egyenáramot váltakozó árammá alakítja át.
A napelemek egy sor napelemből (fotovoltaikus átalakítóból) állnak, amelyek közvetlenül alakítják át a napenergiát elektromos energiává.
A legtöbb napelem szilíciumból készül, ami meglehetősen drága. Ez a tény határozza meg az elektromos energia magas költségét, amelyet napelemek használatával érnek el.
A fotovoltaikus átalakítóknak két általános típusa van: a monokristályos és polikristályos szilíciumból készültek. A gyártástechnológiában különböznek egymástól. Az előbbiek hatékonysága akár 17,5%, az utóbbiak pedig 15%.
A napelem legfontosabb műszaki paramétere, amely nagyban befolyásolja a teljes telepítés hatékonyságát, a hasznos teljesítmény. A feszültség és a kimeneti áram határozza meg. Ezek a paraméterek az akkumulátort érő napfény intenzitásától függenek.
Az egyes napelemek elektromotoros ereje nem függ a területüktől, és csökken, ha az akkumulátort a nap melegíti, körülbelül 0,4%-kal 1 grammonként. C. A kimenő áram a napsugárzás intenzitásától és a napelemek méretétől függ. Minél erősebb a napfény, annál nagyobb áramot generálnak a napelemek. A töltőáram és a kimeneti teljesítmény erősen csökken felhős időben. Ez az akkumulátor által szolgáltatott áram csökkentésével történik.
Ha a nap által megvilágított akkumulátort bármilyen Rн ellenállású terheléshez csatlakoztatják, akkor a elektromosság I, melynek értékét a fotoelektromos átalakító minősége, a világítás intenzitása és a terhelési ellenállás határozza meg. A terhelésben felszabaduló Pн teljesítményt a Pн = InUn szorzat határozza meg, ahol Un az akkumulátor kapcsain lévő feszültség.
A legnagyobb teljesítmény a terhelésben szabadul fel egy bizonyos optimális Ropt ellenállás mellett, ami megfelel a fényenergia elektromos energiává alakításának legnagyobb hatékonyságának. Minden konverternek megvan a saját Ropt értéke, amely a minőségtől, a munkafelület méretétől és a megvilágítás mértékétől függ.
A napelem különálló napelemekből áll, amelyek sorosan és párhuzamosan vannak kapcsolva a kimeneti paraméterek (áram, feszültség és teljesítmény) növelése érdekében. Az elemek sorba kapcsolásakor a kimeneti feszültség növekszik, párhuzamos csatlakoztatás esetén pedig a kimeneti áram.
Az áram és a feszültség növelése érdekében ezt a két csatlakozási módot kombinálják. Ráadásul ennél a csatlakozási módnál az egyik napelem meghibásodása nem vezet a teljes lánc meghibásodásához, pl. növeli a teljes akkumulátor megbízhatóságát.
És így, napelem párhuzamos sorba kapcsolt napelemekből áll. Az akkumulátor által szolgáltatott maximális áramerősség egyenesen arányos a párhuzamosan kapcsolt napelemek számával, az elektromotoros erő pedig a sorba kapcsolt napelemek számával. Tehát a csatlakozási típusok kombinálásával a szükséges paraméterekkel rendelkező akkumulátort állítják össze.
Az akkumulátor napelemei diódákkal vannak söntölve. Általában 4 van belőlük - egy az akkumulátor minden ¼-éhez. A diódák megvédik az akkumulátor egyes részeit a meghibásodástól, amely valamilyen okból elsötétült, vagyis ha egy adott időpontban a fény nem esik rájuk.
Az akkumulátor átmenetileg 25%-kal kevesebb teljesítményt termel, mint amikor a nap rendesen megvilágítja az akkumulátor teljes felületét.
Diódák hiányában ezek a napelemek túlmelegednek és meghibásodnak, mivel a sötétedés során áramfogyasztókká alakulnak (az akkumulátorok a napelemeken keresztül merülnek le), a diódák használatakor pedig söntölnek, és nem folyik át rajtuk áram.
A keletkező elektromos energiát akkumulátorokban tárolják, majd átadják a terhelésnek. Az akkumulátorok kémiai áramforrások. Az akkumulátor akkor töltődik fel, ha az akkumulátor feszültségénél nagyobb feszültséget kapcsolnak rá.
A sorosan és párhuzamosan kapcsolt napelemek számának olyannak kell lennie, hogy az akkumulátorokra szolgáltatott üzemi feszültség a töltőkör feszültségesését figyelembe véve kismértékben meghaladja az akkumulátor feszültségét, és az akkumulátor terhelőárama biztosítsa a szükséges mennyiséget. töltőáram.
Például egy ólom feltöltésére akkumulátor 12 V-hoz 36 elemből álló napelem szükséges.
Gyenge napfényben az akkumulátor töltöttsége csökken, és az akkumulátor lemerül elektromos energia elektromos vevő, azaz. Az újratölthető akkumulátorok folyamatosan működnek kisütési és újratöltési üzemmódban.
Ezt a folyamatot egy speciális vezérlő vezérli. A ciklikus töltés állandó feszültséget vagy állandó töltőáramot igényel.
Jó megvilágítás esetén az akkumulátor gyorsan feltöltődik névleges kapacitásának 90%-ára, majd lassabb töltési sebességgel teljes kapacitásra. Az alacsonyabb töltési sebességre való váltást a töltővezérlő végzi.
A speciális akkumulátorok leghatékonyabb felhasználása a gél akkumulátorok (az akkumulátor kénsavat használ elektrolitként) és az ólom akkumulátorok, amelyek AGM technológiával készülnek. Ezek az akkumulátorok nem igényelnek különleges telepítési feltételeket és nem igényelnek karbantartást. Az ilyen akkumulátorok tanúsított élettartama 10-12 év, a kisülési mélység nem haladja meg a 20% -ot. Az akkumulátorokat soha nem szabad ezen érték alatt lemeríteni, ellenkező esetben az élettartamuk drasztikusan csökken!
Az akkumulátor egy vezérlőn keresztül csatlakozik a napelem panelhez, amely szabályozza a töltöttségét. Amikor az akkumulátort teljesen feltöltöttük, egy ellenállást csatlakoztatunk a napelemhez, amely elnyeli a felesleges energiát.
Az akkumulátor egyenfeszültségének váltakozó feszültséggé alakításához, amely a legtöbb elektromos vevőegység táplálására használható, használhat együtt napelemeket. speciális eszközök- inverterek.
Inverter használata nélkül egy szoláris akkumulátor használható állandó feszültségen működő elektromos vevők táplálására, beleértve a különféle hordozható berendezések, energiatakarékos fényforrások, például ugyanazok a LED-lámpák.
A szöveg szerzője: Andrey Povny. A szöveg először az Electrik.info weboldalon jelent meg. Újranyomva a szerkesztők beleegyezésével.
A napfényt elektromos árammá alakító alternatív energiaforrások iránt egyre nagyobb az igény a mindennapi életben és az iparban. Felhasználják a repülésben, az űrfejlesztésben, az elektronikában, valamint a környezetbarát közlekedés megteremtésében. De a legígéretesebb iparágnak az épületek energiaellátását tartják: az energiaellátást Háztartási gépekés otthoni fűtési rendszerek, fűtés forró víz. Az előnyök közé tartozik: a szezontól és a közművektől való függetlenség, az energiatartalékok felhalmozásának képessége, a megbízhatóság és a hosszú élettartam. De a használatból származó maximális hatás elérése érdekében fontos ismerni az akkumulátorok működési elvét, és be kell tartaniuk a telepítési és működési feltételeket.
A fotovoltaikus átalakítók vagy a napelemes akkumulátorok olyan félvezető tulajdonságokkal rendelkező lapkák, amelyek fénysugarak esetén egyenáramot termelnek. Az alap lehet a szilícium (a legelterjedtebb típus) és vegyületei rézzel, galliummal, kadmiummal, indiummal, amforával, szerves vagy kémiai napelemekkel és polimer filmekkel.
Minden anyagnak megvan a saját PV együtthatója (5-30%), és ennek eredményeként bizonyos teljesítményt termel azonos fényáram intenzitás mellett. Sok függ az akkumulátor területétől, egyetlen félvezető chip kis mennyiségű energiát termel, átlagosan 1 m2 panel szükséges 0,15 kW teljesítmény előállításához. Kivételt képeznek az innovatív többrétegű polimer vegyületek (monokristályok), hatásfokuk eléri a 30%-ot, de ez a technológia még nem elérhető az átlagfogyasztó számára.
A napelem áramkör a lemezen kívül kiegészítő eszközöket is tartalmaz (energia átvitelére, elosztására és tárolására):
- Inverter vagy DC/DC átalakító.
- Tárhely a rendszer zavartalan működéséhez éjszaka vagy felhős időben.
- Feszültségszabályozó.
- Töltéskövető vezérlő.
Területtől függően miniatűr, kis teljesítményű akkumulátorokat (10 W-ig) vagy nagy, helyhez kötött paneleket használnak. Az elsők hordozhatóak (népszerűek laptop, számológép, mobil eszközök). Ez utóbbiak gyakran energiaellátást és a ház fűtését szolgálják, és általában a tetőn helyezkednek el. Mivel az akkumulátorok teljesítménye teljesen arányos a nap intenzitásával, ezért célszerűvé vált nyomkövető panelek elhelyezése (amelyek a Nap mozgásától függően változtatják az elhelyezési szöget). A félvezető opciók vastagsága jelentéktelen (10 mikrontól 10 cm-ig), de figyelembe véve a segédeszközöket, a modulok súlya nagyobb, amit figyelembe vesznek a szarufák és a tetőfelület terhelésének kiszámításakor.
A fotoelektromos átalakítás elve
A napelem működésének megértéséhez emlékezzen az iskolai fizikatanfolyamra. Amikor fény ér egy lemezt, amely két réteg különböző vezetőképességű félvezetőből áll, akkor a hatás létrejön p-n csomópont, a katód elektronjai elhagyják atomjaikat, és az anód szintjén befogják őket. Terhelési (akkumulátoros) áramkörre kapcsolva leadják pozitív töltésű energiájukat és visszatérnek az n-rétegbe. Ez a jelenség ismertebb nevén „külső fotoelektromos hatás”, a kétrétegű lemez pedig „fotocella”. Leggyakrabban ugyanazt az anyagot használják: egy bizonyos típusú vezetőképességű alapfélvezetőt egy ellentétes töltésű, de nagy koncentrációjú dópoló szennyeződésű réteggel vonnak be.
A napelemek ezen működési elve a hatás felfedezése óta változatlan maradt; A zóna határán történik az elektron-lyuk átmenet. Napfény hatására a különböző töltésű részecskék mindkét irányban elmozdulnak, zárt napelemes áramkör esetén a terhelésen dolgoznak. A teljes átvitelhez (elektronok összegyűjtése és eltávolítása) érintkezőrendszert használnak (az akkumulátor külső oldala rácsra vagy fésűre hasonlít, a hátlap általában szilárd). A magasabb terület p-nátmenet és a félvezető fotoelektromos átalakítási aránya, annál nagyobb teljesítményt termel a készülék. A fizikai jelenség és működési elv nem függ a levegő hőmérsékletétől, csak a napfény intenzitása a fontos. Ennek eredményeként a panel hatékonyságát befolyásolják az időjárási viszonyok, az éghajlat, az évszak és a földrajzi szélesség.
Az akkumulátor hatékonyságának javításának módjai
Még Közép-Oroszországban is 3-5 év alatt megtérül a napelemek beszerelése, mert a sugarak teljesen ingyenesek és egész évben rendelkezésre állnak. De egy 100 m2 hasznos területű ház teljes fűtéséhez körülbelül 30 m2 panelre lesz szükség. A fotoelektromos hatás elvének fokozása érdekében a következő munkák elvégzése javasolt:
- Helyezze az elemeket a déli oldalra legalább 30°-os szögben.
- Ne telepítsen napelemeket magas fák árnyékába.
- 2 évente egyszer tisztítsa meg a felületet a szennyeződéstől.
- Telepítsen napfénykövető rendszereket.
Nem érdemes teljesen lemondani a külső energiaellátásról, még a modern komplexumok sem képesek elegendő energiát felhalmozni az épület teljes áramellátásához hosszan tartó rossz időjárás esetén. Leginkább kombinált rendszer részeként használhatók.
Napelemeket már most is sokféle berendezés táplálására használnak: a mobil kütyüktől az elektromos járművekig. Ebből a cikkből megtudhatja, hogyan működnek, mik ezek, és mire képesek a modern napelemek.
A teremtés története
Történelmileg a napelemek az emberiség második próbálkozásai a Nap korlátlan energiájának hasznosítására és a saját hasznára való működésre. Elsőként napkollektorok (naphőerőművek) jelentek meg, amelyekben koncentrált napfény hatására forráspontig melegített víz termeli az áramot.
A napelemek közvetlenül termelnek áramot, ami sokkal hatékonyabb. Közvetlen átalakításnál lényegesen kevesebb energia vész el, mint a többlépcsős átalakításnál, mint a kollektoroknál (napsugarak koncentrálása, víz felmelegítése és gőzkibocsátás, gőzturbina forgása és csak a végén generátoros áramtermelés) ).
A modern napelemek fotocellák láncából állnak - félvezető eszközök, amelyek a napenergiát közvetlenül elektromos árammá alakítják. A napenergia elektromos árammá alakításának folyamatát fotoelektromos hatásnak nevezzük.
Ezt a jelenséget Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus fedezte fel a 19. század közepén. Az első működő fotocellát fél évszázaddal később Alexander Stoletov orosz tudós készítette. És már a huszadik században Albert Einstein kvantitatívan leírta a fotoelektromos hatást, aki nem igényel bemutatást.
Működés elve
A félvezető olyan anyag, amelynek atomjai vagy rendelkeznek extra elektronokkal (n-típusú), vagy éppen ellenkezőleg, hiányoznak ezekből (p-típus). Ennek megfelelően egy félvezető fotocella két különböző vezetőképességű rétegből áll. Katódként egy n-réteget, anódként p-réteget használnak.
Az n-réteg felesleges elektronjai elhagyhatják atomjaikat, míg a p-réteg befogja ezeket az elektronokat. A fénysugarak „kiütik” az elektronokat az n-réteg atomjaiból, majd a p-rétegbe repülnek, hogy elfoglalják az üres tereket. Ily módon az elektronok körben futnak, elhagyják a p-réteget, áthaladnak a terhelésen (jelen esetben az akkumulátoron) és visszatérnek az n-rétegbe.
A történelem első fotovoltaikus anyaga a szelén volt. Segítségével készültek fotocellák a 19. század végén és a 20. század elején. De tekintettel a rendkívül alacsony hatékonyságra (kevesebb mint 1 százalék), azonnal elkezdték keresni a szelén helyettesítőjét.
A napelemek tömeggyártása azután vált lehetővé, hogy a Bell Telephone távközlési vállalat szilícium alapú napelemet fejlesztett ki. Még mindig ez a leggyakoribb anyag a napelemek gyártásában. Igaz, a szilícium tisztítása rendkívül költséges eljárás, ezért apránként próbálkoznak alternatívákkal: réz-, indium-, gallium- és kadmiumvegyületekkel.
Nyilvánvaló, hogy az egyes fotocellák teljesítménye nem elegendő nagy teljesítményű elektromos készülékek táplálásához. Ezért egyesítik őket elektromos áramkör, ezáltal napelemet képezve (más néven napelem).
A napelem keretére a fotocellákat úgy rögzítik, hogy meghibásodás esetén egyenként cserélhetők legyenek. A külső tényezők elleni védelem érdekében az egész szerkezetet tartós műanyaggal vagy edzett üveggel borítják.
Meglévő fajták
A napelemeket a megtermelt villamos energia teljesítménye szerint osztályozzák, amely a panel területétől és kialakításától függ. A napsugarak teljesítménye az egyenlítőn eléri az 1 kW-ot, míg térségünkben felhős időben 100 W alá is csökkenhet. Példaként vegyük az átlagos értéket (500 W), és a további számításokban erre építünk.
Az amorf, fotokémiai és szerves napelemek a legalacsonyabb fotoelektromos konverziós együtthatóval rendelkeznek. Az első két típusnál megközelítőleg 10 százalék, míg az utóbbinál csak 5 százalék. Ez azt jelenti, hogy 500 W-os napenergia-áram mellett egy négyzetméteres napelem 50, illetve 25 W villamos energiát termel.
A fent említett fotocellatípusokkal ellentétben a szilícium félvezető alapú napelemek működnek. A 20%-os, kedvező körülmények között akár 25%-os fotoelektromos konverziós együttható mindennapos náluk. Ennek eredményeként egy méteres napelem teljesítménye elérheti a 125 W-ot.
Csak a gallium-arzenid alapú megoldások versenyezhetnek a szilícium napelemekkel. Ezzel a kapcsolattal a mérnökök megtanultak többrétegű napelemeket létrehozni, amelyek PFC-értéke meghaladja a 30%-ot (négyzetméterenként akár 150 W-os elektromos áram).
Ha a napelemek területéről beszélünk, akkor vannak miniatűr „lemezek”, amelyek teljesítménye legfeljebb 10 W (gyakori szállításhoz), és széles, 200 W-os vagy nagyobb „lapok” (tisztán helyhez kötöttek). használat).
A napelemek teljesítményét számos tényező negatívan befolyásolhatja. Például a hőmérséklet növekedésével a fotocellák teljesítménytényezője csökken. Ez annak ellenére van így, hogy a napelemeket meleg, napos országokban telepítik. Kiderül, hogy ez egyfajta kétélű kard.
Ha pedig elsötétítjük a napelem egy részét, akkor az inaktív fotocellák nemcsak az áramtermelést leállítják, hanem további, káros terhelést is jelentenek.
A legnagyobb termelők
A globális napelemgyártás vezetői a Suntech, a Yingli, a Trina Solar, a First Solar és a Sharp Solar. Az első három Kínát, a negyedik az Egyesült Államokat képviseli, az ötödik pedig, ahogy sejthető, a japán Sharp vállalat részlege.
Az amerikai First Solar cég nemcsak napelemeket gyárt, hanem közvetlenül is részt vesz a napelemes erőművek tervezésében és építésében. Az Egyesült Államokban, Arizonában található, a First Solar mérnökeinek munkája.
A legnagyobb ukrán naperőművet, a Perovot az osztrák Activ Solar cég építette és látta el napelemekkel.
A kínai Suntech cég azzal vált híressé, hogy Pekingben a „Madárfészek” nevű futballstadiont készített a 2008-as nyári olimpiára. A napelemekkel egész nap megtermelt áramot tárolják, majd a stadion megvilágítására, a futballpálya füvének öntözésére és a távközlési berendezések működtetésére használják.
következtetéseket
Alig két évtizeddel ezelőtt érdekességnek tűntek a fotocellás mikroszámológépek, amelyek lehetővé tették, hogy évekig ne cseréljék „gombelemüket”. Most beépített mobiltelefonok hátlap napelem senki sem lepődik meg. De ez apróság az autókhoz és repülőgépekhez (még a pilóta nélküliekhez is) képest, amelyek megtanultak mozogni pusztán napenergiával.
A napelemek jövője olyan fényesnek tűnik, mint maga a nap. Szeretném hinni, hogy a napelemek azok, amelyek végre meggyógyítják az okostelefonokat és a táblagépeket a konnektorfüggőségből.
Minden másodpercben hatalmas mennyiségű napenergia éri el bolygónk felszínét, életet adva minden élőlénynek. Méltó kihívás az érdeklődő elmék számára egy olyan megoldás, amely az emberek szükségleteit szolgálja. Azok pedig, akik feltalálták a napfényt elektromos energiává alakítani képes napelem tervezését, már próbálják ezt életre kelteni.
A monokristályos szilícium alapú konstrukció példáján könnyebb megérteni a napelem működését.
Két réteg szilícium különböző fizikai tulajdonságok vékony lemezt formázunk. A belső réteg p-típusú vezetőképességű, egykristályos tiszta szilícium, amely kívülről „szennyezett” szilíciumréteggel van bevonva. Ez lehet például foszfor keveréke. N-típusú vezetőképességgel rendelkezik. A lemez hátoldalát összefüggő fémréteg borítja.
A fotocellák úgy vannak rögzítve a keretben, hogy meghibásodásuk esetén cserélhetők legyenek. Az egész szerkezetet edzett üveggel vagy műanyaggal borítják, amely megvédi a külső tényezők negatív hatásaitól.
A napelem működési elve
A p- és n-réteg határán a töltések áramlása következtében az n-rétegben egy kompenzálatlan pozitív töltésű zóna, a p-rétegben pedig egy negatív töltésű zóna, azaz. p-n csomópont, mindenki számára ismert az iskolai fizika tanfolyamról. A csomópontban fellépő potenciálkülönbség, az érintkezési potenciálkülönbség (potenciálgát) megakadályozza az elektronok átjutását a p-rétegből, de szabadon engedi át a kisebbségi hordozókat az ellenkező irányba, ami lehetővé teszi a foto- emf, amikor a napfény eléri a fotovoltaikus cellát.
Napfény hatására az elnyelt fotonok nem egyensúlyi elektron-lyuk párokat kezdenek létrehozni. Az átmenet közelében keletkezett elektronok a p-rétegből az n-régióba kerülnek.
Hasonló módon az n réteg felesleges lyukai a p-rétegbe kerülnek (a ábra). Kiderül, hogy a p-rétegben pozitív töltés, az n-rétegben pedig negatív töltés halmozódik fel, ami feszültséget okoz a külső áramkörben (b ábra). Az áramforrásnak két pólusa van: pozitív - p-réteg és negatív - n-réteg.
Ez a napelemek működési elve. Az elektronok így mintha körben futnának, azaz. hagyja el a p-réteget, és térjen vissza az n-rétegbe, átadva a terhelést (akkumulátor).
A fotoelektromos kiáramlást egy átmenetes elemben csak azok az elektronok biztosítják, amelyek energiája nagyobb, mint egy bizonyos sávszélesség. Azok, akiknek kevesebb energiájuk van, nem vesznek részt ebben a folyamatban. Ez a korlátozás megszüntethető többrétegű szerkezetekkel, amelyek egynél több napelemből állnak, különböző sávközökkel. Ezeket kaszkádnak, több csomópontnak vagy tandemnek nevezik. A fotovoltaikus konverziójuk magasabb, mivel az ilyen napelemek szélesebb napspektrummal működnek. Ezekben fotocellák helyezkednek el, ahogy a sávrés csökken. A napsugarak a legszélesebb területű fotocellát érik először, és a legnagyobb energiájú fotonok nyelődnek el.
Ezután a felső réteg által továbbított fotonok elérik a következő elemet, és így tovább. A kaszkádelemek területén a kutatás fő iránya a gallium-arzenid egy vagy több komponensként történő felhasználása. Az ilyen elemek átalakítási hatékonysága 35%. Az elemek akkumulátorba vannak kötve, mivel gyárthatók külön elem nagy méretet (és ezért teljesítményt) a műszaki adottságok nem engednek meg.
A napelemek működhetnek hosszú idő. Az űrben tesztelve stabil és megbízható energiaforrásnak bizonyultak, ahol a fő veszélyt a meteorpor és a sugárzás jelenti, ami a szilícium elemek eróziójához vezet. De mivel a Földön ezek a tényezők nem gyakorolnak ilyen negatív hatást rájuk, feltételezhető, hogy az elemek élettartama még hosszabb lesz.
A napelemek már emberi szolgálatban vannak, és energiaforrásként szolgálnak különféle eszközök, kezdve mobiltelefonokés az elektromos járművekkel befejezve.
És ez már a második próbálkozás az embernek, hogy kihasználja a határtalan napenergiát, kényszerítve azt, hogy a saját érdekében működjön. Az első kísérlet napkollektorok létrehozására irányult, amelyekben a vizet koncentrált napsugarakkal forráspontig melegítve termelték az áramot.
A napelemek előnye, hogy közvetlenül termelnek villamos energiát, sokkal kevesebb energiát veszítenek, mint a többfokozatú napkollektorok, amelyekben az előállítás folyamata a napsugarak koncentrációjával, vízmelegítéssel, gőzkibocsátással, forgással jár. gőzturbinaés csak ezután termel áramot a generátor. A napelemek fő paraméterei mindenekelőtt a teljesítmény. Aztán fontos, hogy mennyi energiájuk van.
Ez a paraméter az akkumulátorok kapacitásától és számától függ. A harmadik paraméter a csúcsteljesítmény-fogyasztás, vagyis az egyidejűleg történő fogyasztás lehetséges kapcsolatokat eszközöket. Egy másik fontos paraméter Névleges feszültség, amelytől függ a kiegészítő felszerelés kiválasztása: inverter, napelem, vezérlő, akkumulátor.
A napelemek típusai
Minden napelem első pillantásra egyformának tűnik - sötét üveggel borított elemek, áramvezető fémcsíkokkal, alumínium keretbe helyezve.
A napelemeket azonban az általuk termelt villamos energia teljesítménye szerint osztályozzák, ami a panel kialakításától és területétől függ (lehet miniatűr lemezek akár tíz watt teljesítménnyel és széles „lapok”, amelyek teljesítménye kb. kétszáz vagy több watt).
Ezenkívül különböznek az őket alkotó fotocellák típusában: fotokémiai, amorf, szerves, valamint szilícium-félvezető alapúak, amelyek fotoelektromos konverziós együtthatója többszöröse. Következésképpen a teljesítmény nagyobb (főleg napsütéses időben). Ez utóbbi versenytársa egy gallium-arzenid alapú napelem lehet. Azaz ötféle napelem van ma a piacon.
A gyártáshoz használt anyagokban különböznek:
1. Polikristályos fotovoltaikus cellákból készült panelek, a napelem jellegzetes kék színével, kristályszerkezetével és 12-14%-os hatásfokkal.
Polikristályos panel
2. A monokristályos elemekből készült panelek drágábbak, de hatékonyabbak is (hatékonyság - akár 16%).
3. Amorf szilíciumból készült napelemek, amelyek hatásfoka a legalacsonyabb - 6-8%, de ezek termelik a legolcsóbb energiát.
4. Kadmium-telluridból készült panelek, filmtechnológiával készültek (hatékonyság - 11%).
Kadmium-tellurid alapú panel
5. Végül szelénből, indiumból, rézből, galliumból álló CIGS félvezető alapú napelemek. A gyártás technológiája is filmes, de a hatásfok eléri a tizenöt százalékot.
Ezenkívül a napelemek rugalmasak és hordozhatók lehetnek.
Nagyon kényelmesek a rugalmas panelek, amelyek könnyen feltekerhetők, mint a normál papír. Bár költségük magasabb, mint szilárdtestalapú társaik, elfoglalták a piaci rést. Főleg a turisták és az utazók körében keresettek, akiknek villamosítás hiányában mobilkütyüket kell tölteniük. A napenergiával működő rugalmas akkumulátorok fő gyártója a Sun Charger, amely egyébként nemrég frissítette a felállás 34 W és 9 W modellek.
Az első modell táblagépek táplálására alkalmas, mobiltelefonok, videokamerák, digitális kamerák, GPS, zselés akkumulátorok 6 és 12 volt, i.e. egy túra során több ember igényeit is kielégítheti.
SunCharger SC-9/14 - összecsukott akkumulátor
Nyitott formában van
Akkumulátor jellemzői: kompakt összecsukható kivitel, -50 és +70 fok közötti hőmérsékleti tartományban üzemel, mindössze 420 gramm súlyú, tükröződésmentes bevonattal ellátva, beépített LED-del, rögzítési fülekkel. A kimeneti aljzat kerek (5,5 mm / 2,1 mm).
Elektromos jellemzők: üzemi kimeneti feszültség 13,5 V (normál 12 V), terhelés nélkül - 19 V; üzemi kimeneti áram – 0,65 A; méretek összecsukva és széthajtva - 20,5x15x3 cm és 50x41,5x0,4 cm; kimeneti teljesítmény - 8,6 W.
A második SunCharger SC-34/18 modell messze a legerősebb a rugalmas napelemek sorában. Kifejezetten univerzális meghajtókhoz (laptopokhoz) fejlesztették ki, amelyek töltési bemenete általában 17-19 volt. Maximális teljesítmény - 18V. Közvetlenül a meghajtókhoz csatlakozik, biztosítva a tökéletes illeszkedést. Nyilvánvaló, hogy kevésbé „torkos” hajtásokra is alkalmas, beleértve az autókban használt tizenkét voltos ólom-savas akkumulátorokat is.
A napelem a pontján 18 V-ot termel maximális teljesítményés közvetlenül csatlakozik ezekhez a meghajtókhoz. Így „tökéletesen” igazodik hozzájuk.
Ez az akkumulátor természetesen kevésbé falánk fogyasztók töltésére is alkalmas. Mint tudod, soha nincs elég erő. Halkan tölti a 12 V-os ólom akkumulátorokat is, beleértve az autóakkukat is (néhány óra töltés után már indítható is az autó). A vastagsága 4 cm (azaz kicsit nagyobb lett), de az akkumulátor még a hagyományos 12 V-os akkumulátoroknál is kicsivel kompaktabbnak bizonyult.
Ez a gyártás során használt vékonyabb szövetnek és a nagyobb felületű laminált fotocelláknak köszönhető.
Ugyanaz az akkumulátor kinyílt
Az előző modellre jellemző tulajdonságok mellett itt a kerek csatlakozó mellett „anya” és „apa” is található a kimeneten.
Elektromos jellemzők: kimenő teljesítmény, a jelölések alapján 34 W; üzemi kimeneti áram – 1,9 A; méretei 40x18x4 cm (összecsukva) és 40x18x4 cm (nyitva). Kimeneti feszültség – 18 V és 26 V (terhelés nélkül). A súly természetesen sokkal több - 1,7 kg.
Hordozható napelem - különösen turisták számára
Manapság mindenkinek van elektronikus kütyüje. Nem számít, hogy van akinek kevesebb, van akinek több. Mindegyiket fel kell tölteni, és ehhez szükségünk van töltőkészülék. De ez a probléma különösen akut azok számára, akik olyan helyeken találják magukat, ahol nincs áramellátás. Az egyetlen kiút a napelemek. Ám áraik továbbra is magasak, a választék pedig kicsi. A legjobb megoldás, amint azt általában hiszik, a Goal Zero cég termékei (bár vannak orosz és kínai termékek is - amelyek, mint mindig, kétségeket vetnek fel).
De kiderült, hogy nem minden rossz, amit Kínában vagy Koreában gyártanak. A chicagói YOLK napelemeket gyártó cég különösen örült a napelemnek, amely megkezdte a Solar Paper kompakt napelemek gyártását – a legvékonyabb és legkönnyebb. Súlya mindössze 120 gramm. De vannak más előnyök is - a moduláris felépítés, amely lehetővé teszi a teljesítmény növelését. A napelemes akkumulátor hasonló a műanyag doboz, méretében egy iPadhez hasonló, csak kétszer vékonyabb. Az elülső oldalán napelem található. A tokon van egy laptophoz való kimenet és USB portokés egyéb napelemek csatlakoztatására, valamint zseblámpa. Ebben a csodadobozban elemek és egy vezérlőtábla található. A készüléket konnektorból töltheted, és lehet egyszerre telefon és két laptop is. Természetesen a készüléket a naptól is töltik. Amint a fény megüti, a jelzőfény kigyullad. Kempingkörülmények között a napelem egyszerűen pótolhatatlan: sikeresen tölti az összes szükséges eszközt - telefonokat gyorsabban, laptopokat.
A hordozható napelemek kompakt méretűek: Akár kulcstartó formájában is kaphatóak, ami bármire rögzíthető. Úgy lettek kifejlesztve, hogy horgászni, túrázni stb. vigyék magukkal. Zseblámpával mindenképp van bennük, így éjszaka megvilágíthatja az utat, sátrat stb. Nagyon fontos, hogy egy ilyen eszköz beépített akkumulátorral rendelkezzen, amely lehetővé teszi az eszközök éjszakai töltését.
A hatékonyság növelésén dolgoznak a tudósok, de ebben a mutatóban eddig a monokristályos elemekből készült napelemek vezetnek. A több rétegből álló monokristályos panelek úgy vannak kialakítva, hogy az egyik réteg zöld energiát nyel el, a másik vörös, a harmadik pedig kék. De az ilyen panelek ára nagyon magas.
A napelem, mint tudod, több szükséges részből áll. Alapja, mint egy autó motorja vagy az ember szíve, egy napelem - egy átlátszó téglalap alakú doboz, amelynek belsejében vékonyra szeletelt szilícium sötét négyzetei vannak. A gyártás során használt szilícium, pontosabban annak oxidja (oxigén vegyülete) a fő elem a napelemek gyártásában.
A napelemek gyártásának alapjául szolgáló technológiák folyamatosan javulnak, és több szakaszból állnak.
- Az első szakaszban a nyersanyagokat előkészítik: a kvarchomokot koksszal kalcinálva tisztítják. Ennek eredményeként felszabadul az oxigéntől, tiszta szilíciumdarabkákká alakul, amelyek kissé a szénre emlékeztetnek. Ezután kristályokat termesztenek belőle - a napelemek alapját, amelyek a szilícium szerkezetét rendezik. Ehhez a tiszta szilíciumot tégelybe engedik, magas hőmérsékletre melegítik, és az olvadt lávához egy magot adnak. Összehasonlíthatja egy jövőbeli kristály mintájával, amely körül rendezett szerkezetű szilícium nő, rétegről rétegre. Több órás növekedés után monoszilícium kristályt kapnak (vagy polikristályos szilíciumot, amelynek beszerzési folyamata drágább, ami befolyásolja a napelemek árát), amely egy nagy jégcsapra hasonlít. Ezután a hengeres munkadarabot paralelepipedonsá alakítjuk. Ezt követően a munkadarabot 100-200 mikron vastagságú (három emberi hajszál vastagságú) lemezekre vágják, tesztelik, válogatják és a feldolgozás következő szakaszába küldik.
- A második szakaszban a lemez szakaszokra forrasztva, amelyekből üvegen blokkokat alakítanak ki, hogy kiküszöböljék a kész napelemek mechanikai hatásának lehetőségét. A szakaszok általában 9-10 napelemből állnak, a blokkok pedig 4-6 részből állnak.
- Harmadik szakasz magában foglalja a tömbökké forrasztott lemezek etilén-vinil-acetát fóliával, majd védőbevonattal történő laminálását, amelyet nyomást, vákuumot és hőmérsékletet figyelő számítógéppel hajtanak végre.
- A negyedik szakasz a végső. Ennek során a csatlakozódoboz és az alumínium keret felszerelése történik. Ismételten megtörténik a tesztelés, melynek során mérik a mutatókat: szakadt áramköri feszültség, áram rövidzárlat, feszültség és áram maximális kapacitásának pontja.
A napelemeket gyártó vállalkozások között a következő országok a vezetők: Kína (Trina Solar, Yingli, Suntech cégek), Japán (Sharp Solar) és az USA (First Solar), amely nemcsak gyártja ezeket, hanem részt vesz a napelemes állomások tervezésében és építésében is. Ennek a cégnek a munkája a világ legerősebb naperőműve, az arizonai Agua Caliente. A legnagyobb ukrajnai „Perovo” naperőmű építését egy osztrák cég (Activ Solar) végezte.
Mennyibe kerül egy napelemes akkumulátor?
A napelemek értékesítése jövedelmező és ígéretes üzlet. Az értékesítési volumen évente növekszik. Az értékesítés első helyét a kínai gyártók foglalják el, amelyek termékeit alacsony költség jellemzi. Ez a helyzet a nagy német márkák csődjéhez vezetett, amelyek kétszer annyiba kerülnek, mint a kínai napelemek.
A napelemek költsége a gyártótól és a teljesítménytől függ, és hatalmas választékkal rendelkezik - 1800 UAH-tól 9000 UAH-ig (Ukrajna esetében), 5 ezer rubeltől 30 ezerig (Oroszországnak). Ezen SunCharger SC-9/14 és SunCharger SC-34/18 akkumulátorok ára is magas (a kiváló tulajdonságokért fizetni kell). Ennek megfelelő összegű 6100 és 20700 rubel. De összehasonlítva az AcmePower 32 W-os rugalmas akkumulátorral, amelynek ára az 27 ezer rubel, ez az akkumulátor sokkal olcsóbb.
Azok, akik pénzt szeretnének megtakarítani, 2,5-szer olcsóbban vásárolhatnak napelemes kristályos összecsukható akkumulátorokat.
következtetéseket
A fantasztikus ötletek fokozatosan valósággá válnak. Emlékezzünk például egy fotocellára épülő mikrokalkulátorra, amely valamikor érdekességnek tűnt, ami miatt évekig nem lehetett elemet cserélni. Az elmúlt évek találmánya a beépített napelemes mobiltelefon, az autók és repülőgépek, amelyek ugyanazon napenergiának köszönhetően mozognak. A jövőben minden bizonnyal a napelemek lesznek a fő energiaforrások, amelyek végre „kigyógyítanak” minden kütyüt a „kimeneti függőségből”, és olcsó energiát adnak az emberiségnek.
Viszonylag a közelmúltban már a magánszolgáltatások ötletét is fantasztikusnak tartották, ma már objektív valóság. Európában régóta használják őket, mert az olcsó energia szinte kimeríthetetlen forrása. Hazánkban az ilyen eszközökből történő villamosenergia-beszerzés egyre népszerűbb. Ez a folyamat nem történik túl gyorsan, és ennek oka a magas költségek.
A működés elve azon a tényen alapul, hogy két különböző anyaggal (bórral és foszforral) bevont szilícium lapkában napfény hatására elektromos áram keletkezik. A szabad elektronok egy foszforral bevont lemezben jelennek meg.
A hiányzó részecskék azokban a lemezekben keletkeznek, amelyek bórral vannak bevonva. Az elektronok elkezdenek mozogni a napfény hatására. Így keletkezik elektromos áram a napelemekben. Az egyes akkumulátorokat fedő vékony rézszálak eltávolítják az áramot, és a rendeltetési helyére irányítják.
Egy tányérral egy kis izzót is táplálhatsz. A következtetés önmagát sugallja. Ahhoz, hogy a napelemek elegendő teljesítményű házat biztosítsanak, területüknek elég nagynak kell lennie.
Szilícium mechanizmusok
Tehát a napelem működési elve egyértelmű. Áram keletkezik, amikor a speciális lemezeket ultraibolya fénynek teszik ki. Ha szilíciumot használnak anyagként az ilyen lemezek létrehozásához, akkor az elemeket szilíciumnak (vagy hidrogén-szilíciumnak) nevezik.
Az ilyen lemezek nagyon igényelnek összetett rendszerek Termelés. Ez viszont nagyban befolyásolja a termékek költségét.
Különféle típusú szilícium létezik.
Monokristályos konverterek
Ezek ferde sarkú panelek. Színük mindig tiszta fekete.
Ha monokristályos konverterekről beszélünk, akkor a napelem működési elve röviden közepesen hatékonynak mondható. Az ilyen akkumulátor fényérzékeny elemeinek összes cellája egy irányba van irányítva.
Ez lehetővé teszi a legmagasabb eredmények elérését a hasonló rendszerek között. Az ilyen típusú akkumulátorok hatékonysága eléri a 25%-ot.
Hátránya, hogy az ilyen paneleknek mindig a nap felé kell nézniük.
Ha a nap a felhők mögé bújva, a horizont felé süllyed, vagy még nem kelt fel, akkor az akkumulátorok meglehetősen gyenge áramot termelnek.
Polikristályos
Ezeknek a mechanizmusoknak a lemezei mindig négyzet alakúak és sötétkékek. Felületi összetételükben inhomogén szilíciumkristályok találhatók.
A polikristályos akkumulátorok hatékonysága nem olyan magas, mint a monokristályos modelleké. Ez elérheti a 18%-ot. Ezt a hátrányt azonban kompenzálják az alábbiakban tárgyalandó előnyök.
Az ilyen típusú napelemek működési elve lehetővé teszi, hogy ne csak tiszta szilíciumból, hanem újrahasznosított anyagokból is készüljenek. Ez megmagyaráz néhány, a berendezésben talált hibát. A mechanizmusok megkülönböztető jellemzője ebből a típusból az, hogy felhős időben is elég hatékonyan képesek elektromos áramot előállítani. Ez a hasznos minőség nélkülözhetetlenné teszi őket olyan helyeken, ahol mindennapos jelenség a szórt napfény.
Amorf szilícium panelek
Az amorf panelek olcsóbbak, mint mások, ez határozza meg a napelem működési elvét és kialakítását. Mindegyik panel több nagyon vékony szilíciumrétegből áll. Úgy készülnek, hogy anyagrészecskéket vákuumban fóliára, üvegre vagy műanyagra szórnak.
A panelek hatékonysága lényegesen kisebb, mint a korábbi modelleké. 6%-ot ér el. A szilíciumrétegek nagyon gyorsan elhalványulnak a napon. Mindössze hat hónapos használat után ezeknek az akkumulátoroknak a hatásfoka 15%-kal, néha akár 20%-kal is csökken.
Két év üzemelés teljesen kimeríti a hatóanyagok forrását, ezért a panelt cserélni kell.
De van két előnye is, amelyek miatt ezeket az akkumulátorokat továbbra is megvásárolják. Először is, még felhős időben is működnek. Másodszor, amint már említettük, nem olyan drágák, mint más lehetőségek.
Hibrid fotokonverterek
Az amorf szilícium a mikrokristályok elrendezésének alapja. A napelem működési elve hasonlóvá teszi a polikristályos panelhez. Az ilyen típusú akkumulátorok közötti különbség az, hogy nagyobb teljesítményű elektromos áramot képes előállítani szórt napfény mellett, például felhős napon vagy hajnalban.
Ezenkívül az akkumulátorok nem csak a napfény, hanem az infravörös spektrum hatására is működnek.
Polimer film szolár átalakítók
A szilíciumpanelek ezen alternatívája képes uralni a napelemek piacát. Több rétegből álló filmhez hasonlítanak. Ezek között vannak vezetők, a hatóanyag polimer rétege, szerves anyagokból készült hordozó és védőfólia.
Az ilyen napelemek egymással kombinálva tekercs típusú filmes napelemet alkotnak. Ezek a panelek könnyebbek és kompaktabbak, mint a szilícium panelek. A gyártás során nem használnak drága szilíciumot, és maga a gyártási folyamat sem olyan drága. Ezáltal a görgős panel olcsóbb, mint az összes többi.
A napelemek működési elve miatt hatásfokuk nem túl magas.
Eléri a 7%-ot.
Az ilyen típusú panelek gyártási folyamata egy fotocella filmre történő többrétegű nyomtatásához vezet. A termelést Dániában alapították.
További előnye, hogy a tekercselemet le lehet vágni, és tetszőleges méretre és alakra testreszabhatja.
Csak egy mínusz van. Az akkumulátorok gyártása most kezdődött, így még mindig meglehetősen nehéz beszerezni őket.
De van okunk azt hinni, hogy ezek az elemek gyorsan megérdemelt jó hírnevet szereznek a fogyasztók körében, ami lehetőséget ad a gyártóknak, hogy nagyobb léptékű termelést indítsanak.
Házak szoláris fűtése
A működési elv alapvetően megkülönbözteti őket az összes fent leírt készüléktől. Ez egy teljesen más készülék. Leírás alább olvasható.
A napenergiával működő fűtési rendszer fő része a kollektor, amely megkapja a fényét és mozgási energiává alakítja. Ennek az elemnek a területe 30 és 70 négyzetméter között változhat.
A kollektor felszereléséhez speciális felszerelést használnak. A lemezek fémérintkezőkkel vannak összekötve egymással.
A rendszer következő eleme a tároló kazán. A mozgási energiát hőenergiává alakítja. Részt vesz a víz melegítésében, amelynek vízkiszorítása elérheti a 300 litert. Néha az ilyen rendszereket további száraztüzelésű kazánok támogatják.
A szoláris fűtési rendszert fal- és padlóelemek teszik teljessé, amelyekben a felmelegített folyadék vékony rézcsöveken kering, a teljes felületükön elosztva. A panelek alacsony indítási hőmérséklete és a hőátadás egyenletessége miatt a helyiség meglehetősen gyorsan felmelegszik.
Hogyan működik a napkollektoros fűtés?
Nézzük meg közelebbről a napelemek működését ultraibolya fény segítségével.
Különbség jelenik meg a kollektor és a tárolóelem hőmérséklete között. A hűtőfolyadék, amely legtöbbször víz, amelyhez fagyállót adtak, keringeni kezd a rendszer körül. A folyadék által végzett munka pontosan kinetikus energia.
Ahogy a folyadék áthalad a rendszer rétegein, a mozgási energia hővé alakul, amelyet a ház fűtésére használnak fel. Ez a közegkeringési folyamat hőt biztosít a helyiségnek, és lehetővé teszi a tárolást a nap vagy az év bármely szakában.
Tehát megtudtuk a napelemek működési elvét.
