مبدأ تشغيل البطارية الشمسية: كيف تعمل الألواح الشمسية وتعمل
إن تحويل أشعة الشمس الحرة بشكل فعال إلى طاقة يمكن استخدامها لتزويد المنازل والمرافق الأخرى بالطاقة هو الحلم العزيز للعديد من المدافعين عن الطاقة الخضراء.
لكن مبدأ تشغيل البطارية الشمسية وكفاءتها لا داعي للحديث عن الكفاءة العالية لهذه الأنظمة بعد. سيكون من الجيد أن يكون لديك مصدر إضافي للكهرباء. أليس كذلك؟ علاوة على ذلك، حتى اليوم في روسيا، بمساعدة الألواح الشمسية، يتم تزويد عدد كبير من الأسر الخاصة بنجاح بالكهرباء "المجانية". ما زلت لا تعرف من أين تبدأ؟
سنخبرك أدناه عن مبادئ تصميم وتشغيل الألواح الشمسية، وسوف تتعلم على ماذا تعتمد كفاءة النظام الشمسي. وستساعدك مقاطع الفيديو المنشورة في المقالة على تجميع لوحة شمسية من الخلايا الكهروضوئية بيديك.
محتوى المقال:
الألواح الشمسية: المصطلحات
هناك الكثير من الفروق الدقيقة والارتباك في موضوع "الطاقة الشمسية". غالبًا ما يكون من الصعب على المبتدئين فهم جميع المصطلحات غير المألوفة في البداية. ولكن بدون ذلك، من غير المعقول الانخراط في الطاقة الشمسية، وشراء المعدات اللازمة لتوليد التيار "الشمسي".
دون قصد، لا يمكنك اختيار اللوحة الخطأ فحسب، بل يمكنك أيضًا حرقها عند توصيلها أو استخراج القليل جدًا من الطاقة منها.
أولا، يجب أن تفهم الأنواع الموجودة من معدات الطاقة الشمسية. الألواح الشمسية ومجمعات الطاقة الشمسية هما جهازان مختلفان بشكل أساسي. وكلاهما يحول طاقة أشعة الشمس.
ومع ذلك، في الحالة الأولى، يتلقى المستهلك الطاقة الكهربائية عند الإخراج، وفي الثانية، الطاقة الحرارية في شكل مبرد ساخن، أي. تستخدم الألواح الشمسية ل التدفئة المنزلية.
الفارق الدقيق الثاني هو مفهوم مصطلح "البطارية الشمسية". عادة، تشير كلمة "البطارية" إلى نوع من أجهزة التخزين الكهربائية. أو يتبادر إلى الذهن مشعاع تدفئة عادي. ومع ذلك، في حالة البطاريات الشمسية، فإن الوضع مختلف جذريا. إنهم لا يجمعون أي شيء في أنفسهم.
تم تصميم الألواح الشمسية فقط لتوليد التيار الكهربائي. وهي بدورها يتم تجميعها لتزويد المنزل بالكهرباء ليلاً، عندما تكون الشمس تحت الأفق، بالفعل في البطاريات الموجودة بشكل إضافي في دائرة إمداد الطاقة بالمنشأة.
يُقصد بالبطارية هنا في سياق مجموعة معينة من المكونات المتشابهة المجمعة في وحدة واحدة. في الواقع، إنها مجرد لوحة مكونة من عدة خلايا ضوئية متطابقة.
الهيكل الداخلي للبطارية الشمسية
تدريجيا، أصبحت الألواح الشمسية أرخص وأكثر كفاءة.وهي تُستخدم الآن لإعادة شحن البطاريات في مصابيح الشوارع والهواتف الذكية والسيارات الكهربائية والمنازل الخاصة والأقمار الصناعية في الفضاء. حتى أنهم بدأوا في بناء محطات كاملة للطاقة الشمسية (SPPs) بكميات كبيرة من التوليد.
تم تصميم كل بطارية شمسية على شكل كتلة مكونة من عدد معين من الوحدات، والتي تجمع بين الخلايا الكهروضوئية شبه الموصلة المتصلة على التوالي. لفهم مبادئ تشغيل مثل هذه البطارية، من الضروري فهم تشغيل هذا الرابط النهائي في جهاز الألواح الشمسية، الذي تم إنشاؤه على أساس أشباه الموصلات.
أنواع بلورات الخلايا الضوئية
هناك عدد كبير من خيارات FEP المصنوعة من عناصر كيميائية مختلفة. ومع ذلك، فإن معظمها تطورات في المراحل الأولية. حتى الآن، يتم حاليًا إنتاج الألواح المصنوعة من الخلايا الكهروضوئية القائمة على السيليكون على نطاق صناعي.
الخلية الكهروضوئية النموذجية في اللوحة الشمسية عبارة عن رقاقة رقيقة مكونة من طبقتين من السيليكون، ولكل منهما خصائصها الفيزيائية الخاصة. هذا هو تقاطع أشباه الموصلات الكلاسيكي مع أزواج ثقب الإلكترون.
عندما تضرب الفوتونات الخلية الكهروضوئية بين طبقات أشباه الموصلات هذه، بسبب عدم تجانس البلورة، يتم تشكيل بوابة ضوئية-EMF، مما يؤدي إلى فرق الجهد وتيار الإلكترون.
تختلف رقائق السيليكون من الخلايا الشمسية في تكنولوجيا التصنيع إلى:
- أحادي البلورية.
- متعدد البلورات.
الأول لديه كفاءة أعلى، ولكن تكلفة إنتاجه أعلى من الأخير. خارجيًا، يمكن تمييز أحد الخيارات عن الآخر على اللوحة الشمسية من خلال شكله.
الخلايا الشمسية أحادية البلورية لها بنية متجانسة، وهي مصنوعة على شكل مربعات ذات زوايا مقطوعة. في المقابل، العناصر متعددة البلورات لها شكل مربع تمامًا.
يتم الحصول على البلورات المتعددة عن طريق التبريد التدريجي للسيليكون المنصهر. هذه الطريقة بسيطة للغاية، ولهذا السبب تكون هذه الخلايا الضوئية غير مكلفة.
لكن إنتاجيتها من حيث توليد الكهرباء من الأشعة الشمسية نادرا ما تتجاوز 15%. ويرجع ذلك إلى "شوائب" رقائق السيليكون الناتجة وبنيتها الداخلية. وهنا كلما كانت طبقة السيليكون p نقية كلما زادت كفاءة الخلية الشمسية منها.
نقاء البلورات المفردة في هذا الصدد أعلى بكثير من نظائرها متعددة البلورات. إنها ليست مصنوعة من المنصهر، ولكن من بلورات السيليكون الصلبة المزروعة صناعيًا. يصل معامل التحويل الكهروضوئي لهذه الخلايا الشمسية بالفعل إلى 20-22٪.
الطبقة العليا من لوحة الخلية الكهروضوئية المواجهة للشمس مصنوعة من نفس السيليكون، ولكن مع إضافة الفوسفور. وهذا الأخير هو الذي سيكون مصدر الإلكترونات الزائدة في نظام الوصلات pn.
كان الإنجاز الحقيقي في مجال الطاقة الشمسية هو تطوير الألواح المرنة المصنوعة من السيليكون الكهروضوئي غير المتبلور:
مبدأ تشغيل الألواح الشمسية
عندما يسقط ضوء الشمس على الخلية الكهروضوئية، تتولد فيها أزواج من الثقوب الإلكترونية غير المتوازنة. يتم نقل الإلكترونات والثقوب الزائدة جزئيًا عبر الوصلة pn من طبقة من أشباه الموصلات إلى أخرى.
ونتيجة لذلك، يظهر الجهد في الدائرة الخارجية. في هذه الحالة، يتشكل قطب موجب للمصدر الحالي عند تلامس الطبقة p، وقطب سالب عند الطبقة n.
الخلايا الضوئية المتصلة بحمل خارجي على شكل بطارية تشكل معها حلقة مفرغة. ونتيجة لذلك، تعمل اللوحة الشمسية كنوع من العجلة التي "تسير" الإلكترونات عبرها معًا بين البروتينات. وتكتسب البطارية الشحن تدريجيًا.
المحولات الكهروضوئية السيليكونية القياسية هي خلايا أحادية الوصلة.يحدث تدفق الإلكترونات إليها فقط من خلال تقاطع p-n واحد مع منطقة من هذا التحول محدودة في طاقة الفوتون.
وهذا يعني أن كل خلية ضوئية من هذا القبيل قادرة على توليد الكهرباء فقط من طيف ضيق من الإشعاع الشمسي. يتم إهدار جميع الطاقة الأخرى. وهذا هو السبب في أن كفاءة FEP منخفضة للغاية.
لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية، بدأ مؤخرًا تصنيع عناصر أشباه الموصلات السيليكونية متعددة الوصلات (المتتالية). هناك بالفعل العديد من التحولات في الخلايا الشمسية الجديدة. علاوة على ذلك، تم تصميم كل واحد منهم في هذا الشلال ليتناسب مع طيف ضوء الشمس الخاص به.
وتزداد في النهاية الكفاءة الإجمالية لتحويل الفوتونات إلى تيار كهربائي لمثل هذه الخلايا الكهروضوئية. لكن سعرها أعلى من ذلك بكثير. وهنا، إما سهولة التصنيع بتكلفة منخفضة وكفاءة منخفضة، أو عوائد أعلى مقرونة بالتكلفة العالية.
أثناء التشغيل، تسخن الخلية الكهروضوئية والبطارية بأكملها تدريجيًا. كل الطاقة التي لم تستخدم لتوليد التيار الكهربائي تتحول إلى حرارة. في كثير من الأحيان ترتفع درجة الحرارة على سطح اللوحة الشمسية إلى 50-55 درجة مئوية. لكن كلما ارتفعت، قلت كفاءة عمل الخلية الكهروضوئية.
ونتيجة لذلك، فإن نفس طراز البطارية الشمسية يولد تيارًا أقل في الطقس الحار مقارنة بالطقس البارد. تُظهر الخلايا الكهروضوئية أقصى قدر من الكفاءة في يوم شتوي صافٍ. هناك عاملان يلعبان هنا - الكثير من أشعة الشمس والتبريد الطبيعي.
علاوة على ذلك، إذا سقط الثلج على اللوحة، فسوف تستمر في توليد الكهرباء.علاوة على ذلك، لن يكون لدى رقاقات الثلج الوقت الكافي للاستلقاء عليها، بعد أن ذابت من حرارة الخلايا الكهروضوئية الساخنة.
كفاءة البطارية الشمسية
خلية ضوئية واحدة، حتى عند الظهر في طقس صاف، تنتج القليل جدًا من الكهرباء، وهي كافية فقط لتشغيل مصباح يدوي LED.
لزيادة الطاقة الناتجة، يتم دمج عدة خلايا شمسية في دائرة متوازية لزيادة جهد التيار المستمر وفي دائرة متتالية لزيادة التيار.
تعتمد كفاءة الألواح الشمسية على:
- درجة حرارة الهواء والبطارية نفسها؛
- الاختيار الصحيح لمقاومة الحمل.
- زاوية سقوط ضوء الشمس.
- وجود / عدم وجود طلاء مضاد للانعكاس.
- قوة التدفق المضيئة.
كلما انخفضت درجة الحرارة في الخارج، زادت كفاءة عمل الخلايا الكهروضوئية والبطارية الشمسية ككل. كل شيء بسيط هنا. ولكن مع حساب الحمل يصبح الوضع أكثر تعقيدًا. يجب أن يتم اختياره بناءً على التيار الذي توفره اللوحة. لكن قيمتها تختلف باختلاف العوامل الجوية.
تعد المراقبة المستمرة لمعلمات البطارية الشمسية وضبط تشغيلها يدويًا مشكلة. لهذا فمن الأفضل أن تستخدم وحدة تحكم التحكموالتي تقوم بضبط إعدادات اللوحة الشمسية تلقائيًا لتحقيق أقصى قدر من الأداء وأوضاع التشغيل المثلى منها.
زاوية سقوط أشعة الشمس المثالية على البطارية الشمسية هي زاوية مستقيمة. ومع ذلك، إذا كان الانحراف في حدود 30 درجة من العمودي، فإن كفاءة اللوحة تنخفض بحوالي 5% فقط.ولكن مع زيادة هذه الزاوية أكثر، ستنعكس نسبة متزايدة من الإشعاع الشمسي، مما يقلل من كفاءة الخلية الشمسية.
إذا كانت البطارية مطلوبة لإنتاج أقصى قدر من الطاقة في الصيف، فيجب أن تكون موجهة بشكل عمودي على متوسط موضع الشمس، الذي تحتله عند الاعتدالين في الربيع والخريف.
بالنسبة لمنطقة موسكو، يبلغ هذا حوالي 40-45 درجة في الأفق. إذا كان الحد الأقصى مطلوبًا في الشتاء، فيجب وضع اللوحة في وضع عمودي أكثر.
وهناك شيء آخر - الغبار والأوساخ يقللان بشكل كبير من أداء الخلايا الكهروضوئية. الفوتونات ببساطة لا تصل إليهم من خلال هذا الحاجز "القذر"، مما يعني أنه لا يوجد شيء يمكن تحويله إلى كهرباء. يجب غسل الألواح بانتظام أو وضعها بحيث يغسل المطر الغبار من تلقاء نفسه.
تحتوي بعض الألواح الشمسية على عدسات مدمجة لتركيز الإشعاع على الخلية الشمسية. في الطقس الصافي يؤدي هذا إلى زيادة الكفاءة. ومع ذلك، في السحب الكثيفة، هذه العدسات تسبب الضرر فقط.
إذا استمرت اللوحة التقليدية في مثل هذه الحالة في توليد التيار، وإن كان ذلك بكميات أصغر، فسيتوقف نموذج العدسة عن العمل بشكل كامل تقريبًا.
يجب أن تضيء الشمس بشكل مثالي بطارية الخلايا الكهروضوئية بالتساوي. إذا تبين أن أحد أقسامها مظلمة، فإن الخلايا الشمسية غير المضاءة تتحول إلى حمولة طفيلية. فهي لا لا تولد الطاقة في مثل هذه الحالة فحسب، بل إنها تأخذها أيضًا من العناصر العاملة.
ويجب تركيب الألواح بحيث لا توجد أشجار أو مباني أو غيرها من العوائق في طريق أشعة الشمس.
مخطط إمدادات الطاقة الشمسية للمنزل
يشمل نظام إمداد الطاقة الشمسية ما يلي:
- الألواح الشمسية.
- مراقب.
- البطاريات.
- العاكس (المحول).
تعمل وحدة التحكم في هذه الدائرة على حماية الألواح الشمسية والبطاريات. فمن ناحية، يمنع تدفق التيارات العكسية في الليل وفي الطقس الغائم، ومن ناحية أخرى، فإنه يحمي البطاريات من الشحن/التفريغ الزائد.
لتحويل التيار المباشر 12 أو 24 أو 48 فولت إلى تيار متردد 220 فولت تحتاج العاكس. لا يُنصح باستخدام بطاريات السيارة في مثل هذه الدائرة نظرًا لعدم قدرتها على تحمل إعادة الشحن المتكرر. من الأفضل إنفاق الأموال وشراء بطاريات الهيليوم AGM الخاصة أو بطاريات OPzS المغمورة بالمياه.
استنتاجات وفيديو مفيد حول هذا الموضوع
مبادئ التشغيل و مخططات اتصال الألواح الشمسية ليس من الصعب جدا أن نفهم. ومع مواد الفيديو التي جمعناها أدناه، سيكون من الأسهل فهم جميع تعقيدات تشغيل وتركيب الألواح الشمسية.
من السهل الوصول والفهم لكيفية عمل البطارية الشمسية الكهروضوئية بكل تفاصيلها:
شاهد آلية عمل الألواح الشمسية في الفيديو التالي:
تجميع الألواح الشمسية DIY من الخلايا الكهروضوئية:
كل عنصر في نظام الطاقة الشمسية يجب اختيار الكوخ بشكل صحيح. تحدث خسائر الطاقة الحتمية في البطاريات والمحولات وأجهزة التحكم. ويجب تخفيضها إلى الحد الأدنى، وإلا فسيتم تقليل كفاءة الألواح الشمسية المنخفضة بالفعل إلى الصفر.
هل كان لديك أي أسئلة أثناء دراسة المادة؟ أو هل تعرف معلومات قيمة حول موضوع المقال ويمكنك مشاركتها مع قرائنا؟ يرجى ترك تعليقاتك في الكتلة أدناه.
أنا أفكر في تجهيز منزلي بألواح الطاقة الشمسية. إن احتمال الاستقلال في مجال الطاقة مغري. قرأت الكثير من المواد حول هذا الموضوع. هناك العديد من الإيجابيات والعديد من السلبيات. عليك أن تزن كل شيء، لأن المتعة مكلفة للغاية. هذه المقالة أيضا لم تضيف الثقة. كيفية ضبط اللوحة بشكل صحيح للحصول على الحد الأقصى في الصيف والشتاء؟ ماذا عن الرعاية؟ هل سيتعين عليك الصعود بانتظام إلى السطح لغسل الغبار عن الخلايا الشمسية؟ التسلق على السطح ليس بالمهمة السهلة. بل وأكثر من ذلك مع تقدم العمر. يجب أن يؤخذ كل شيء في الاعتبار لضمان التشغيل المريح. من الجيد أن يتم شرح الفروق الدقيقة المختلفة هنا.
فلاديمير، قم بتركيب الألواح الشمسية ولا تتردد. إذا كان لديك حوالي 20 ألف دولار لشراء الألواح الشمسية، فعليك إبرام اتفاقية لتركيبها وصيانتها. سيقوم المحترفون بتثبيت هذه البطارية بالزاوية الصحيحة. وليس عليك أن تتسلق السطح بنفسك. سيأتي الشباب الذين يحملون كارشر ويغسلون ويشدون ما هو مطلوب. أعتقد أن محطات الطاقة الشمسية هي المستقبل.
20 ألف دولار لتركيب الألواح!؟ لن يبرروا أنفسهم في الحياة. بالإضافة إلى وحدة تحكم، بطاريات، محول الجهد. كم منهم سوف يطير خلال الوقت الذي تنفق فيه 20 ألف دولار على الكهرباء؟ لذا فكر فيما إذا كانت مربحة اليوم أم لا.
في منزلي قمت بتركيب لوحتين بقوة 200 واط وبطاريتين بقوة 120 أمبير. بالإضافة إلى محول جهد 5 كيلو وات (الأحمال القصوى 8 كيلو وات) ووحدة تحكم. كل شيء يكلف حوالي 1000 يورو. هناك حرارة كافية للري حتى عند درجة حرارة 35-40 درجة. ولكن ليس أكثر. عندما أقوم ببناء منزل سأضيف عدد الألواح والبطاريات وجهاز التحكم. تركيب طاحونة هوائية لفصل الشتاء.ليس لدي أي خيار آخر. مؤامرة داشا غير متصلة بمصدر الطاقة. اتصال واحد سيكلف 1600 يورو. بالإضافة إلى أن الكهرباء في البيوت الصيفية باهظة الثمن. في حدود 30 سنتا لكل 1 كيلوواط.
أنا أفهم سخطك، لأن سعر 20 ألف دولار هو حقا الكثير، حتى مع الأخذ في الاعتبار أعمال التركيب والتشغيل. بالنسبة لمعظم قرائنا، هذا مبلغ باهظ. لكن الخيار الذي قمت بتنفيذه، بالإضافة إلى التحديث اللاحق وزيادة عدد الألواح الشمسية مع الإنتاجية اللاحقة، هو الحل الأمثل.
وفيما يتعلق بطاحونة الهواء في الشتاء، فأنا أتفق معك هنا، لأن إنتاجية الألواح الشمسية في الفترة من نوفمبر إلى يناير تنخفض إلى الحد الأدنى في خطوط العرض لدينا. بالإضافة إلى ذلك، في الخريف والشتاء، تحتاج الألواح باستمرار إلى التنظيف من الأوساخ وأوراق الشجر والثلوج. لذلك ستكون توربينات الرياح مصدرًا إضافيًا ممتازًا للطاقة البديلة في هذا الوقت من العام. بالمناسبة، تمت مناقشة الخيارات المختلفة بالفعل أكثر من مرة في المنتدى وفي المقالات.
لماذا حذفت تعليقي؟ إنه يؤلمني حقًا. لقد كتبوا هنا أنه يمكنك تركيب الألواح بمبلغ إضافي قدره 20 ألف دولار. يبدو الأمر كما لو أن اللوحات مخصصة لأصحاب الملايين في روسيا وليست مخصصة للأشخاص. في أوروبا، كان كل شيء منذ فترة طويلة للشعب. لقد عشت في أيرلندا لمدة 16 عامًا وكنت أستفسر عن سعر منزل خاص. وبالتالي فإن الدولة تغطي أيضًا 30% من التكلفة. السعر يتراوح من 3000 إلى 7000 يورو. ولكن إذا كنت قد حددته بالفعل بمبلغ 6.7 ألف يورو مطروحًا منه 30٪ من تغطية الدولة
قف! لماذا من الضروري تركيب الألواح الشمسية على السطح؟ إذا كان لديك مساحة كبيرة في حديقتك، فيمكنك بسهولة تنفيذ وضع العناصر على الأرض. في هذه الحالة، سيكون الحفاظ على نظافة الألواح الشمسية أسهل بكثير، خاصة في فصل الشتاء.
يمكن أن يكون إطار وضع الألواح الشمسية مصنوعًا من المعدن أو الخشب. لكنني أوصي بالخيار الأول، لأنه أكثر موثوقية ودائمة.
لماذا لديك أسعار 20 ألفًا، إنهم يسرقونك مثل الزيزفون هناك. في أيرلندا، تبلغ تكلفة المنزل الخاص رسميًا ما بين 6000 إلى 7000 يورو، بالإضافة إلى أن الدولة تغطي 30% من التكلفة. قد أضعها
... في عمود "الفعالية ...". خطأ مطبعي فادح من قبل شخص عادي - عند توصيل الخلايا الكهروضوئية على التوالي، تزيد إجمالي الجهد للتثبيت، وعند توصيلها بالتوازي، يزيد التيار. يحدث ذلك... مع أنني أشك في معرفة المديرين والموظفين المعاصرين بالفيزياء!