Jestliže dříve byli lidé závislí na centralizovaných dodávkách energie, nyní má každý dobrou alternativu – solární panely. Takové zařízení je ideální pro instalaci v soukromých domech, chatách a průmyslových zařízeních. Elektrárny se staly dostupnější a rozmanitější co do typu a výkonu. V této publikaci se blíže podíváme na princip fungování solární baterie, její typy a výhody použití v běžném životě i ve výrobě.
Design a historie vzhledu solárních panelů
Lidstvo už dlouho přemýšlí o využití nevyčerpatelné energie slunce. První pokusy byly provedeny již ve dvacátém století. Poté byl vyvinut koncept tepelné elektrárny. V praxi však vykazoval velmi nízkou účinnost, protože koncept znamenal transformaci solární energie. Po rozboru prvního neúspěchu došli vědci k závěru, že je nutné využít přímo sluneční paprsky. Tento princip byl objeven v roce 1839. Založil ji Alexandre Becquerel. Než se však objevily první polovodiče, uplynulo mnoho let. Byly vynalezeny až v roce 1873. Letošní rok lze nazvat začátkem prací na moderních prototypech elektrárny.
Pokud mluvíme o tom, z čeho se skládá solární baterie, pak zpočátku stojí za zmínku fotobuňky. Mohou být nazývány malými generátory. Plní hlavní funkci sběru sluneční energie. Dnes existuje několik typů solárních panelů, o kterých bude pojednáno v další části. Bez ohledu na typ je však moderní panel základnou určité velikosti, na kterou jsou umístěny výše zmíněné fotobuňky. Tyto prvky jsou velmi křehké, proto jsou navíc chráněny sklem a polymerovou podložkou.
Solární panely jsou však jen částí celé elektrárny. Obsahuje také další prvky:
- Akumulátorová baterie.
- Ovladač nabíjení.
- střídač.
- Stabilizátor.
Každé z uvedených zařízení plní svou vlastní funkci. Baterie akumuluje a ukládá odebranou energii, regulátor řídí napájení, připojuje a odpojuje baterii a analyzuje úroveň nabití. Invertor se také nazývá konvertor. Toto zařízení převádí stejnosměrný proud na střídavý proud. Díky němu lze elektřinu využít pro domácí účely. Poslední součástí elektrocentrály je stabilizátor. Chrání celý systém před přepětím.
Jaké typy solárních panelů existují?
Existuje několik klasifikačních kritérií, podle kterých jsou všechny solární panely rozděleny do různých typů:
- Typ zařízení.
- Materiál pro výrobu fotovoltaické vrstvy.
Podle typu zařízení existují dva typy: flexibilní a tuhé. První typ se vyznačuje svou plasticitou. Takový panel lze snadno stočit do trubky, aniž by se něco poškodilo. Pevný panel nemění svůj tvar. Podle materiálu výroby existují tři typy: amorfní, polykrystalické, monokrystalické.
Amorfní baterie mohou být flexibilní. Nejsou vybíraví na místo instalace, ale účinnost takového zařízení je velmi nízká. Není to více než šest procent. Polykrystalické výrobky mají nízkou cenu. Jsou však účinnější za oblačného počasí. Ve velmi horkém počasí jejich produkce klesá o něco více než u monokrystalických modulů.
Pokud je požadován maximální účinek elektrárny, pak by měly být upřednostněny panely s monokrystalickými prvky. Jejich účinnost dosahuje dvacet pět procent. Monokrystalické panely jsou dražší, protože monokrystalický křemík vyžaduje více energie a času na výrobu.
Rozsah použití solárních panelů
S rozvojem nových technologií a rozvojem konceptu energie ze sluneční energie se rozsah použití panelů značně rozšířil. Dříve byla taková zařízení obvykle instalována v malých soukromých domech nebo chatách. Byly používány výhradně pro domácí potřeby, protože spotřeba energie byla minimální. Nyní existují výkonné elektrárny, které vykazují vysokou provozní účinnost. Z tohoto důvodu se rozsah použití panelů rozšířil.
Zajímavý fakt! Energie uvolněná Sluncem za jednu sekundu může stačit k tomu, aby poskytla elektřinu celému lidstvu na pět set tisíc let.
Solární baterie se začaly aktivně používat v průmyslových a komerčních zařízeních, což umožňuje výrazné úspory jejich dodávek energie. Panely jsou instalovány také v zemědělských podnicích, farmách a vojenských prostorech. Z méně výkonných panelů se vyrábí různé domácí spotřebiče: svítilny, kalkulačky, nabíječky atd. Slouží jako zdroj energie tam, kde není možné se připojit k centrální síti. Taková zařízení jsou velmi žádaná mezi lovci, rybáři a turisty.
Důležité! Moderní solární elektrárny budou účinné všude: jak v domácnosti, tak ve velkém průmyslovém zařízení. K tomu však musí být správně vybrány pro požadovaný výkon. Výpočet tohoto parametru musí provést odborník.
Jak funguje solární panel: jak zařízení funguje jednoduše
Pokud se chystáte pořídit solární panely, rozhodně byste se měli seznámit nejen s jejich designem, ale také s principem fungování. Jak tedy solární panel funguje? Navzdory zjevné jednoduchosti zařízení je princip fungování takové elektrárny poměrně složitý. Je založen na fotoelektrickém jevu, kterého se dosahuje pomocí fotočlánků.
Solární panely sbírají paprsky. Dopadají na fotovoltaickou vrstvu. Sluneční světlo způsobuje uvolnění elektronů ze dvou vrstev. Elektrony z druhé vrstvy vyplňují uvolněný prostor z první vrstvy. Dochází k neustálému pohybu elektronů, což vede k přirozenému vzniku napětí na vnějším obvodu. Výsledkem je, že jedna z fotovoltaických vrstev získává záporný náboj a druhá kladný náboj.
Tyto akce aktivují baterii. Začíná získávat a ukládat náboj. Zároveň je neustále sledována úroveň nabití baterie. Pokud je nízká, regulátor zapne solární panel. V případě vysokého nabití panel vypne stejné zařízení. Poté se střídač uvede do provozu. Převádí proud ze stejnosměrného na střídavý. S jeho pomocí se na výstupu elektrárny objeví napětí 220 V. To umožňuje připojit a napájet domácí spotřebiče z elektrárny.
Připojení solárního panelu
Účinnost a správný provoz solárních panelů závisí nejen na jejich typu a výkonu, ale také na instalaci a zapojení. Musí být vypracováno správné schéma zapojení všech prvků elektrárny a musí být správně zvoleno místo pro instalaci solárních panelů. Tento druh práce lze svěřit pouze profesionálům.
Není žádným tajemstvím, že výstupní napětí jednoho panelu je poměrně nízké. Obvykle se používá několik baterií současně. Všechny panely musí být zapojeny paralelně sériově. Tento typ připojení umožňuje maximální efektivitu zařízení.
Výhody, nevýhody panelů
Solární panely zlevnily, čímž se staly dostupnějšími pro širší spektrum spotřebitelů. Před nákupem by se však každý měl podrobně seznámit s výhodami a nevýhodami tohoto zásobování energií. Mezi jeho nepopiratelné výhody stojí za zmínku následující:
- bezpečnost životního prostředí. Ekologie je v dnešní době jedním z naléhavých problémů. Solární elektrárny fungují bez poškozování životního prostředí. Během provozu nevypouštějí škodlivé látky;
- rychlá splatnost. Náklady na elektřinu, jak pro domácnosti, tak pro podniky, neustále rostou. S instalací panelů je možné zcela nebo částečně přejít na alternativní zdroj energie, který je zcela zdarma a dostupný pro každého. Díky tomu se nákup a instalace zařízení vyplatí v řádu let;
- snadné použití elektrárny. Navzdory složité konstrukci a principu fungování je obsluha stanice poměrně jednoduchá. Hlavní věcí je sledovat provozuschopnost jeho součástí a nešetřit na údržbě, která není tak často vyžadována;
- rychlá instalace. Profesionálové nainstalují všechny prvky stanice během několika hodin nebo dní (v závislosti na počtu panelů, výkonu atd.). Výběr komponentů a nákup vybavení zabere více času.
Taková zařízení mají také nevýhody. Nejdůležitější je vysoká cena zařízení. Nezapomínejte však, že velká investice do nákupu se vám rychle vrátí mnohaletým bezplatným využíváním solární energie. Druhou vážnou nevýhodou solárních panelů je jejich závislost na vnějších faktorech. Efektivita jejich práce závisí na počasí, teplotních podmínkách, poloze vůči Slunci a čistotě povrchu.
Jak dosáhnout maximální účinnosti baterie?
Instalovat solární elektrárnu má smysl pouze v regionech s dlouhým denním světlem. Tam, kde je den krátký, lze panely použít pouze jako doplňkový zdroj světla, nikoli však jako hlavní. Jak již bylo uvedeno, různé typy solárních panelů mají svou vlastní účinnost. Chcete-li dosáhnout maximálního účinku, měli byste si vybrat zařízení s maximálním výkonem, a to i přes jejich vysoké náklady.
Velkou roli bude hrát správný výpočet výkonu celé instalace. To vám umožní vybrat požadovanou velikost a počet panelů a také výkon ostatních komponent stanice. Klíčem k efektivnímu provozu panelů je také výkonná baterie. Systém musí mít dvě baterie, zejména v zimním období. Druhá baterie vám umožní naakumulovat dostatek energie pro dodávku elektřiny do zařízení během krátkých denních hodin.
Nesmíme zapomínat ani na další faktory, které provoz stanice ovlivňují. Panely musí být umístěny ve správném úhlu a musí být udržovány v čistotě. V opačném případě se výrazně sníží účinnost baterie.
Fotovoltaické články se kdysi používaly téměř výhradně ve vesmíru, například jako primární zdroj energie pro satelity. Od té doby se solární panely stále častěji stávají součástí našich životů: pokrývají střechy domů a aut, používají se v náramkových hodinkách a dokonce i v tmavých brýlích.
Jak ale fungují solární panely? Jak je možné přeměnit energii slunečního záření na elektřinu?
Základní zásady
Solární panely se skládají z fotovoltaických článků zabalených ve společném rámu. Každý je vyroben z polovodičového materiálu, jako je křemík, který se nejčastěji používá v solárních článcích.
Když paprsky dopadají na polovodič, zahřívá se a částečně absorbuje jejich energii. Příliv energie uvolňuje elektrony uvnitř polovodiče. Na fotočlánek je aplikováno elektrické pole, které nasměruje volné elektrony a způsobí jejich pohyb v určitém směru. Tento tok elektronů tvoří elektrický proud.
Pokud na horní a spodní stranu fotobuňky připevníte kovové kontakty, můžete výsledný proud nasměrovat vodiči a použít jej k ovládání různých zařízení. Síla proudu spolu s napětím článku určuje množství elektřiny vyrobené fotovoltaickým článkem.
Silikonové polovodiče
Uvažujme jako příklad proces uvolňování elektronů pomocí křemíku. Atom křemíku má 14 elektronů ve třech obalech. První dvě slupky jsou zcela vyplněny dvěma a osmi elektrony. Třetí obal je poloprázdný – má pouze 4 elektrony.
Díky tomu má křemík krystalickou formu; Atomy křemíku se snaží zaplnit prázdné prostory ve třetím obalu a snaží se „sdílet“ elektrony se svými sousedy. Krystal křemíku ve své čisté formě je však špatným vodičem, protože téměř všechny jeho elektrony jsou pevně usazeny v krystalové mřížce.
Solární články tedy nepoužívají čistý křemík, ale do křemíku jsou vnášeny krystaly s malými nečistotami, tedy atomy jiných látek. Existuje pouze jeden atom na milion atomů křemíku, například atom fosforu.
Fosfor má ve vnějším obalu pět elektronů. Čtyři z nich tvoří krystalické vazby s blízkými atomy křemíku, ale pátý elektron ve skutečnosti zůstává „viset“ v prostoru, bez jakéhokoli spojení se sousedními atomy.
Když křemík zasáhne sluneční světlo, jeho elektrony dostanou dodatečnou energii, která stačí k jejich odtržení od odpovídajících atomů. V důsledku toho zůstávají „díry“ na svém místě. Uvolněné elektrony putují po krystalové mřížce jako nositelé elektrického proudu. Když narazí na další „díru“, zaplní ji.
V čistém křemíku je však takových volných elektronů příliš málo kvůli silným vazbám atomů v krystalové mřížce. Křemík s příměsí fosforu je úplně jiná záležitost. K uvolnění nevázaných elektronů v atomech fosforu je potřeba mnohem méně energie.
Většina těchto elektronů se stává volnými nosiči, které mohou být efektivně směrovány a použity k výrobě elektřiny. Proces přidávání nečistot ke zlepšení chemických a fyzikálních vlastností látky se nazývá doping.
Křemík dopovaný atomy fosforu se stává elektronickým polovodičem typu n (od slova „negativní“, kvůli zápornému náboji elektronů).
Křemík je také dopován bórem, který má ve vnějším obalu pouze tři elektrony. Výsledkem je polovodič typu p (od „pozitivní“), ve kterém se objevují volné kladně nabité „díry“.
Zařízení na solární baterie
Co se stane, když zkombinujete polovodič typu n s polovodičem typu p? V prvním z nich se vytvořilo mnoho volných elektronů a ve druhém – mnoho děr. Elektrony chtějí zaplnit díry co nejrychleji, ale pokud k tomu dojde, oba polovodiče se stanou elektricky neutrálními.
Místo toho, když volné elektrony vstoupí do polovodiče typu p, oblast na spojení obou látek se nabije a vytvoří bariéru, kterou není tak snadné překonat. Na hranici pn přechodu vzniká elektrické pole.
Energie každého fotonu slunečního světla obvykle stačí k uvolnění jednoho elektronu, a tedy k vytvoření jedné díry navíc. Pokud k tomu dojde v blízkosti pn přechodu, elektrické pole vyšle volný elektron na n-stranu a díru na p-stranu.
Rovnováha je tedy dále narušena, a pokud je na systém aplikováno vnější elektrické pole, volné elektrony budou proudit na stranu p, aby zaplnily díry a vytvořily elektrický proud.
Bohužel křemík odráží světlo docela dobře, což znamená, že značná část fotonů je ztracena. Pro snížení ztrát jsou fotočlánky potaženy antireflexní vrstvou. Nakonec, aby byl solární panel chráněn před deštěm a větrem, je také zvykem jej zakrýt sklem.
Účinnost moderních solárních panelů není příliš vysoká. Většina z nich efektivně zpracovává 12 až 18 procent slunečního záření, které na ně dopadá. Nejlepší vzorky překročily 40procentní bariéru účinnosti.
