Як працює сонячна батарея? | Пояснено зберігання енергії. Сонячна батарея

Як працює сонячна батарея? | Пояснення щодо зберігання енергії

працює, сонячна, батарея, зберігання, енергії

Сонячна батарея може бути важливим доповненням до вашої сонячної енергетичної системи. Вона допомагає зберігати надлишок електроенергії, який можна використовувати, коли сонячні панелі не генерують достатньо енергії, і дає вам більше можливостей для забезпечення електроенергією вашого будинку.

Якщо ви шукаєте відповідь на питання “Як працюють сонячні батареї??”У цій статті ми пояснимо, що таке сонячна батарея, науку про сонячні батареї, як сонячні батареї працюють із сонячною енергетичною системою та загальні переваги використання сонячних акумуляторів.

Що таке сонячна батарея?

Почнемо з простої відповіді на питання: “Що таке сонячна батарея??”:

Сонячна батарея. це пристрій, який ви можете додати до своєї сонячної енергетичної системи для зберігання надлишкової електроенергії, виробленої сонячними панелями.

Ви можете використовувати накопичену енергію для живлення вашого будинку в той час, коли сонячні панелі не виробляють достатньо електроенергії, в тому числі вночі, в похмурі дні та під час перебоїв з електропостачанням.

Сенс сонячної батареї полягає в тому, щоб допомогти вам використовувати більше сонячної енергії, яку ви створюєте. Якщо у вас немає акумуляторної батареї, будь-яка надлишкова електроенергія від сонячної енергії йде в мережу, а це означає, що ви виробляєте електроенергію і надаєте її іншим людям, не використовуючи повною мірою переваги електроенергії, яку спочатку створюють ваші панелі.

Щоб дізнатися більше, перегляньте наш посібник про сонячні батареї: Переваги, особливості та вартість

Наука про сонячні батареї

Літій-іонні батареї є найпопулярнішою формою сонячних батарей, які зараз представлені на ринку. Це та сама технологія, що використовується у смартфонах та інших високотехнологічних акумуляторах.

Літій-іонні акумулятори працюють завдяки хімічній реакції, яка накопичує хімічну енергію, перш ніж перетворити її в електричну. Реакція відбувається, коли іони літію вивільняють вільні електрони, і ці електрони рухаються від негативно зарядженого анода до позитивно зарядженого катода.

Цей рух заохочується і посилюється літій-сольовим електролітом, рідиною всередині акумулятора, яка врівноважує реакцію, забезпечуючи необхідні позитивні іони. Цей потік вільних електронів створює струм, необхідний людям для використання електрики.

Коли ви споживаєте електроенергію з акумулятора, іони літію течуть назад через електроліт до позитивного електрода. У той же час електрони рухаються від негативного електрода до позитивного електрода через зовнішній ланцюг, живлячи підключений пристрій.

Домашні акумулятори сонячної енергії поєднують в собі кілька іонних акумуляторних елементів зі складною електронікою, яка регулює продуктивність і безпеку всієї системи сонячних батарей. Таким чином, сонячні батареї функціонують як акумуляторні батареї, які використовують енергію сонця як початковий вхідний сигнал, що запускає весь процес створення електричного струму.

Порівняння технологій зберігання акумуляторів

Що стосується типів сонячних батарей, то існує два найпоширеніші варіанти: літій-іонні та свинцево-кислотні. Виробники сонячних панелей віддають перевагу літій-іонним батареям, оскільки вони можуть зберігати більше енергії, утримувати її довше, ніж інші батареї, і мають більшу глибину розряду.

Глибина розряду, також відома як DoD. це відсоток, до якого можна використовувати батарею по відношенню до її загальної ємності. Наприклад, якщо глибина розряду батареї становить 95%, вона може безпечно використовувати до 95% своєї ємності до того, як її потрібно буде заряджати.

Літій-іонна батарея

Як згадувалося раніше, виробники акумуляторів віддають перевагу літій-іонним батареям через їх вищий коефіцієнт корисної дії, надійний термін служби, здатність довше утримувати більше енергії та більш компактні розміри. Однак через ці численні переваги літій-іонні батареї також дорожчі порівняно зі свинцево-кислотними акумуляторами.

Свинцево-кислотна батарея

Свинцево-кислотні акумулятори (за тією ж технологією, що і більшість автомобільних акумуляторів) існують вже багато років і широко використовуються в якості домашніх систем зберігання енергії для автономного живлення. Хоча вони все ще доступні на ринку за доступними цінами, їх популярність зменшується через низький коефіцієнт корисної дії та коротший термін служби.

Накопичувачі змінного струму vs. Накопичувачі постійного струму

Під з’єднанням мається на увазі спосіб підключення сонячних панелей до системи зберігання енергії, причому варіанти з’єднання можуть бути як постійного струму (DC), так і змінного струму (AC). Основна відмінність між ними полягає в шляху, який проходить електроенергія, що виробляється сонячними панелями.

Сонячні батареї виробляють електроенергію постійного струму, яку необхідно перетворити на електроенергію змінного струму, перш ніж її можна буде використовувати у вашому домі. Однак сонячні батареї можуть зберігати лише електроенергію постійного струму, тому існують різні способи підключення сонячної батареї до вашої сонячної енергетичної системи.

Накопичувач постійного струму

При підключенні постійного струму, електроенергія постійного струму, створена сонячними панелями, проходить через контролер заряду, а потім безпосередньо в сонячну батарею. Перед зберіганням струм не змінюється, а перетворення з постійного на змінний відбувається лише тоді, коли батарея надсилає електроенергію до вашого будинку або повертає її в мережу.

Акумуляторна батарея постійного струму є більш ефективною, оскільки електроенергію потрібно змінювати з постійного на змінний струм лише один раз. Однак накопичувачі постійного струму, як правило, вимагають більш складної установки, що може збільшити початкову вартість і подовжити загальний термін встановлення.

Накопичувач змінного струму

За допомогою з’єднання змінного струму електроенергія постійного струму, що генерується вашими сонячними панелями, спочатку проходить через інвертор, а потім перетворюється на електроенергію змінного струму для повсякденного використання електроприладами у вашому домі. Цей змінний струм також може бути направлений на окремий інвертор для перетворення в постійний струм для зберігання в сонячній батареї. Коли настає час використовувати накопичену енергію, електроенергія витікає з батареї і повертається в інвертор, щоб перетворитися назад в електроенергію змінного струму для вашого будинку.

У накопичувачах змінного струму електроенергія інвертується тричі: один раз, коли вона надходить від сонячних панелей до будинку, другий раз, коли вона надходить з будинку в акумуляторну батарею, і третій раз, коли вона надходить з акумуляторної батареї назад до будинку. Кожна інверсія призводить до певних втрат ефективності, тому накопичувач зі зв’язаним змінним струмом трохи менш ефективний, ніж система зі зв’язаним постійним струмом.

На відміну від накопичувачів постійного струму, які зберігають енергію лише від сонячних панелей, однією з найбільших переваг накопичувачів змінного струму є те, що вони можуть зберігати енергію як від сонячних панелей, так і від мережі. Це означає, що навіть якщо ваші сонячні панелі не генерують достатньо електроенергії для повної зарядки акумулятора, ви все одно можете наповнити акумулятор електроенергією з мережі, щоб забезпечити резервне живлення або скористатися перевагами арбітражу тарифів на електроенергію.

Також простіше модернізувати існуючу сонячну електростанцію за допомогою акумуляторної батареї зі змінним струмом, оскільки її можна просто додати до існуючої системи, а не вбудовувати в неї. Це робить акумуляторні накопичувачі зі зв’язком змінного струму більш популярним варіантом для модернізації установок.

Як сонячні батареї працюють з сонячною енергетичною системою

працює, сонячна, батарея, зберігання, енергії

Весь цей процес починається з того, що сонячні панелі на даху генерують енергію. Ось поетапний опис того, що відбувається в системі, підключеній до постійного струму:

  • Сонячне світло потрапляє на сонячні панелі, і енергія перетворюється на постійний струм.
  • Електроенергія надходить в акумулятор і зберігається у вигляді електроенергії постійного струму.
  • Потім електроенергія постійного струму залишає акумулятор і потрапляє в інвертор для перетворення в електроенергію змінного струму, яку може використовувати будинок.

Процес дещо відрізняється в системі з підключенням до мережі змінного струму.

  • Сонячне світло потрапляє на сонячні панелі, і енергія перетворюється на електрику постійного струму.
  • Електроенергія надходить в інвертор для перетворення в електроенергію змінного струму, яку можна використовувати вдома.
  • Надлишок електроенергії потім проходить через інший інвертор, щоб знову перетворитися в електроенергію постійного струму, яку можна зберігати для подальшого використання.
  • Якщо будинку потрібно використовувати енергію, накопичену в акумуляторі, ця електроенергія повинна знову пройти через інвертор, щоб стати електроенергією змінного струму.

Як працюють сонячні батареї з гібридним інвертором

Якщо у вас є гібридний інвертор, один пристрій може перетворювати електроенергію постійного струму в електроенергію змінного струму, а також може перетворювати електроенергію змінного струму в електроенергію постійного струму. Таким чином, вам не потрібно два інвертори у вашій фотоелектричній системі: один для перетворення електроенергії від сонячних панелей (сонячний інвертор), а інший для перетворення електроенергії від сонячної батареї (акумуляторний інвертор).

Також відомий як інвертор на основі батареї або гібридний мережевий інвертор, гібридний інвертор поєднує в собі інвертор на основі батареї та сонячний інвертор в одній одиниці обладнання. Він усуває необхідність мати два окремих інвертора в одній установці, функціонуючи як інвертор як для електроенергії від сонячної батареї, так і для електроенергії від сонячних панелей.

Гібридні інвертори стають дедалі популярнішими, оскільки вони працюють як з акумуляторними батареями, так і без них. Ви можете встановити гібридний інвертор у свою безбатарейну сонячну електростанцію під час початкової установки, що дасть вам можливість додати накопичувач сонячної енергії в подальшому.

Переваги зберігання сонячних батарей

Додавання резервного акумулятора для сонячних панелей. це чудовий спосіб забезпечити максимальну віддачу від вашої сонячної електростанції. Ось деякі з основних переваг домашньої системи зберігання сонячних батарей:

Зберігає надлишок виробленої електроенергії

Ваша система сонячних панелей часто може виробляти більше енергії, ніж вам потрібно, особливо в сонячні дні, коли нікого немає вдома. Якщо у вас немає накопичувача сонячної енергії, надлишкова енергія буде передаватися в мережу. Якщо ви берете участь у програмі мережевого обліку, ви можете отримати кредит за додаткову генерацію, але зазвичай це не співвідношення 1:1 для електроенергії, яку ви виробляєте.

Завдяки акумуляторній батареї додаткова електроенергія заряджає ваш акумулятор для подальшого використання, замість того, щоб надходити в мережу. Ви можете використовувати накопичену енергію в періоди меншої генерації, що зменшує вашу залежність від електромережі.

Забезпечує захист від перебоїв в електропостачанні

Оскільки ваші батареї можуть зберігати надлишкову енергію, вироблену сонячними панелями, ваш будинок буде забезпечений електроенергією під час перебоїв в подачі електроенергії та в інші періоди, коли мережа виходить з ладу.

Зменшує ваш вуглецевий слід

Завдяки акумуляторним батареям для сонячних панелей ви можете стати “зеленими”, максимально використовуючи екологічно чисту енергію, вироблену вашою системою сонячних панелей. Якщо ця енергія не зберігається, ви будете покладатися на мережу, коли ваші сонячні панелі не генерують достатньо енергії для ваших потреб. Однак, більшість електроенергії з мережі виробляється з використанням викопного палива, тому ви, швидше за все, будете використовувати брудну енергію, коли будете отримувати її з мережі.

Забезпечує електроенергію навіть після заходу сонця

Коли сонце сідає і сонячні панелі не виробляють електроенергію, мережа вмикається, щоб забезпечити вкрай необхідну потужність, якщо у вас немає акумуляторної батареї. За допомогою сонячної батареї ви будете використовувати більше власної сонячної електроенергії вночі, що забезпечить вам більшу енергетичну незалежність і допоможе вам знизити рахунки за електроенергію.

Тихе рішення для резервного живлення

Сонячна батарея. це 100% безшумний варіант зберігання резервної енергії. Ви отримуєте вигоду від чистої енергії, що не потребує технічного обслуговування, і вам не доведеться мати справу з шумом, який виходить від газового резервного генератора.

Основні висновки

Розуміння того, як працює сонячна батарея, важливо, якщо ви думаєте про додавання накопичувача енергії сонячних панелей до вашої сонячної енергетичної системи. Оскільки вона працює як велика акумуляторна батарея для вашого будинку, ви можете використовувати надлишок сонячної енергії, яку створюють ваші сонячні панелі, що дає вам більше контролю над тим, коли і як ви використовуєте сонячну енергію.

Літій-іонні батареї є найпопулярнішим типом сонячних батарей і працюють завдяки хімічній реакції, яка накопичує енергію, а потім вивільняє її у вигляді електричної енергії для використання у вашому домі. Незалежно від того, чи обираєте ви систему з підключенням до постійного струму, змінного струму або гібридну систему, ви можете збільшити рентабельність інвестицій у вашу сонячну електростанцію та зменшити залежність від електромережі.

Правильна конструкція системи має життєво важливе значення для отримання максимальної віддачі від сонячних панелей. У Palmetto ми маємо знання та досвід, щоб допомогти вам у вашій подорожі до чистої енергії. Від встановлення та обслуговування сонячних електростанцій до технічного обслуговування та моніторингу системи. наші професіонали в галузі сонячної енергетики допоможуть вам скористатися перевагами чистої енергії.

Сонячна батарея

Блок сонячних елементів являє собою джерело струму на основі сонячних елементів.

Модель сонячної батареї складається з наступних компонентів:

Струм, індукований сонячною енергією

Блок являє собою один сонячний елемент у вигляді опору Rs, який з’єднаний послідовно з паралельною комбінацією наступних елементів:

На наступній ілюстрації показано еквівалентну електричну схему:

працює, сонячна, батарея, зберігання, енергії

I = I p h. I s ( e ( V I R s ) / ( N V t ). 1 ). I s 2 ( e ( V I R s ) / ( N 2 V t ). 1 ). ( V I R s ) / R p

  • Ir. освітленість (сила світла), у Вт/м2. падіння на комірку.
  • Iph0. виміряний струм, що генерується сонячною енергією для освітленості Ir0.
  • k. постійна Больцмана.
  • T. значення параметра температури моделювання приладу.
  • q. елементарний заряд на електроні.

Добротність варіюється для амоних елементів і зазвичай становить 2 для полікристалічних елементів.

Блок дозволяє вибирати між двома моделями:

  • 8-параметрична модель, де попереднє рівняння описує вихідний струм
  • 5-параметрична модель, яка застосовує наступні спрощувальні припущення до попереднього рівняння:
  • Струм насичення другого діода дорівнює нулю.
  • Імпеданс паралельного резистора нескінченний.

Якщо ви вибрали 5-параметричну модель, ви можете параметризувати цей блок з точки зору параметрів попередньої моделі еквівалентної схеми або з точки зору струму короткого замикання та напруги відкритого замикання, які блок використовує для отримання цих параметрів.

Всі моделі регулюють опір блоку та параметри струму в залежності від температури.

Ви можете моделювати будь-яку кількість послідовно з’єднаних сонячних елементів за допомогою одного блоку Solar Cell, встановивши параметр Кількість послідовно з’єднаних елементів в рядку на значення більше 1. Внутрішньо блок як і раніше моделює тільки рівняння для одного сонячного елемента, але масштабує вихідну напругу відповідно до кількості елементів. Це призводить до більш ефективного моделювання, ніж якби рівняння для кожного елемента моделювалися окремо.

Залежність від температури

Кілька параметрів сонячних елементів залежать від температури. Температура сонячного елемента задається значенням параметра Температура моделювання пристрою.

Блок забезпечує наступну залежність між індукованим сонячним струмом Iph і температурою сонячного елемента T:

I p h ( T ) = I p h ( 1 T I P H 1 ( T. T m e a s ) )

  • TIPH1. температурний коефіцієнт першого порядку для Iph, значення параметра TIPH1.
  • Tmeas. значення параметра температури вимірювання.

Блок забезпечує наступну залежність між струмом насичення першого діода Is і температурою сонячного елемента T:

I s ( T ) = I s ( T T m e a s ) ( T X I S 1 N ) e ( E G ( T T m e a s. 1 ) / ( N V t ) )

де TXIS1. експонента температури для Is, значення параметра TXIS1.

Блок забезпечує наступну залежність між струмом насичення другого діода Is2 і температурою сонячного елемента T:

I s 2 ( T ) = I s 2 ( T T m e a s ) ( T X I S 2 N 2 ) e ( E G ( T T m e a s. 1 ) / ( N 2 V t ) )

де TXIS2. експонента температури для Is2, значення параметра TXIS2.

Блок забезпечує наступну залежність між послідовним опором Rs і температурою сонячного елемента T:

R s ( T ) = R s ( T T m e a s ) T R S 1

де TRS1. експонента температури для Rs, значення параметра TRS1.

Блок забезпечує наступну залежність між паралельним опором Rp і температурою сонячного елемента T:

R p ( T ) = R p ( T T m e a s ) T R P 1

де TRP1. температурна експонента для Rp, значення параметра TRP1.

Заздалегідь визначена параметризація

Існує кілька доступних вбудованих параметризацій для блоку “Сонячна батарея.

Ці дані попередньої параметризації дозволяють налаштувати блок для представлення компонентів від конкретних постачальників. Параметри цих модулів сонячних елементів відповідають технічним характеристикам виробника. Щоб завантажити попередньо визначену параметризацію, двічі клацніть блок “Сонячний елемент”, натисніть гіперпосилання параметра “Вибрана деталь” і у вікні “Диспетчер параметризації блоку” виберіть деталь, яку ви хочете використовувати, зі списку доступних компонентів.

Попередньо визначені параметри компонентів Simscape™ використовують доступні джерела даних для значень параметрів. Інженерні судження та спрощувальні припущення використовуються для заповнення відсутніх даних. Як наслідок, слід очікувати відхилення між змодельованою та фактичною фізичною поведінкою. Для забезпечення точності, перевірте змодельовану поведінку на основі експериментальних даних та за потреби доопрацюйте моделі компонентів.

Для отримання додаткової інформації про попередню параметризацію та список доступних компонентів див. розділ Список попередньо параметризованих компонентів.

Тепловий порт

Ви можете відкрити тепловий порт для моделювання впливу тепла, що генерується, та температури пристрою. Щоб показати тепловий порт, встановіть параметр Modeling option у значення either:

  • Без термінального порту. блок не містить термінального порту і не моделює генерування тепла в пристрої.
  • Показати тепловий порт. Блок містить тепловий порт, який дозволяє моделювати тепло, що генерується втратами провідності. Для чисельної ефективності тепловий стан не впливає на електричну поведінку блоку.

Для отримання додаткової інформації про використання термінальних портів і про параметри термінального порту див. розділ Моделювання теплових ефектів у напівпровідниках.

Модель теплового порту, показана на наступній ілюстрації, представляє лише теплову масу пристрою. Теплова маса безпосередньо з’єднана з тепловим портом компонента H. Внутрішній блок ідеального джерела теплового потоку забезпечує тепловий потік до порту і теплову масу. Цей тепловий потік являє собою внутрішньо генероване тепло.

Внутрішнє тепло, що генерується в сонячному елементі, розраховується відповідно до еквівалентної електричної схеми, наведеної на початку довідкової сторінки, в розділі “Струм, індукований сонячним випромінюванням”. Це сума втрат i 2 R для кожного з резисторів плюс втрати в кожному з діодів.

Внутрішньо генероване тепло через електричні втрати є окремим нагрівальним ефектом від сонячного випромінювання. Для моделювання теплового нагріву за рахунок сонячного випромінювання необхідно врахувати його окремо у вашій моделі і додати тепловий потік до фізичного вузла, підключеного до теплового порту сонячного елемента.

Приклади

Крива потужності сонячного елемента

Згенеруйте криву “потужність-напруга” для сонячної батареї. Розуміння кривої “потужність-напруга” важливо для проектування інверторів. В ідеалі сонячна батарея повинна завжди працювати на піковій потужності, враховуючи рівень освітленості та температуру панелі.

Сонячний елемент

Фотоелектричні (ФЕ) пристрої генерують електроенергію безпосередньо з сонячного світла за допомогою електронного процесу, який природним чином відбувається в певних типах матеріалів, які називаються напівпровідниками. Електрони в цих матеріалах вивільняються під дією сонячної енергії і можуть бути змушені рухатися по електричному ланцюгу, живлячи електричні пристрої або відправляючи електроенергію в мережу.

Фотоелектричні пристрої можуть використовуватися для живлення будь-чого. від дрібної електроніки, наприклад, калькуляторів і дорожніх знаків, до будинків і великих комерційних підприємств.

Як працює фотоелектрична технологія?

працює, сонячна, батарея, зберігання, енергії

Фотони вражають та іонізують напівпровідниковий матеріал на сонячній панелі, змушуючи зовнішні електрони відриватися від своїх атомних зв’язків. Завдяки напівпровідниковій структурі електрони виштовхуються в одному напрямку, створюючи потік електричного струму. Сонячні елементи з кристалічного кремнію не ефективні на 100%, частково через те, що лише певні промені світла в спектрі можуть бути поглинуті. Частина світлового спектру відбивається, частина занадто слабка для створення електрики (інфрачервоний спектр), а частина (ультрафіолет) створює теплову енергію замість електрики. Схема типового сонячного елемента з кристалічного кремнію. Щоб зробити цей тип елементів, пластини кремнію високої чистоти “легують” різними домішками і сплавляють разом. Отримана структура створює шлях для електричного струму всередині та між сонячними елементами.

Інші типи фотоелектричних технологій

Окрім кристалічного кремнію (c-Si), існує ще два основних типи фотоелектричних технологій:

  • Тонкоплівкові фотоелектричні модулі. це швидкозростаюча, але невелика частина комерційного ринку сонячної енергетики. Багато фірм, що займаються виробництвом тонких плівок, є стартапами, що розробляють експериментальні технології. Вони, як правило, менш ефективні, але часто дешевші, ніж c-Si модулі.
  • У Сполучених Штатах концентруючі фотоелектричні батареї зустрічаються переважно на пустельному південному заході. Вони використовують лінзи та дзеркала для відбиття концентрованої сонячної енергії на високоефективні фотоелементи. Для досягнення максимальної ефективності вони потребують прямого сонячного світла та систем відстеження.
  • Інтегрована в будівлю фотоелектрика слугує як зовнішнім шаром споруди, так і генерує електроенергію для використання на місці або експорту в мережу. BIPV-системи можуть забезпечити економію матеріалів і витрат на електроенергію, зменшити забруднення і додати архітектурної привабливості будівлі.

Історія фотоелектричних технологій

Фотоелектричний ефект спостерігався ще в 1839 році Олександром Едмундом Беккерелем і був предметом наукових досліджень до початку двадцятого століття. У 1954 році в лабораторії Bell Labs в США було винайдено фотоелектричний фотоелемент, який використовував лінзи та дзеркала.S. представив перший сонячний фотоелектричний пристрій, який виробляв корисну кількість електроенергії, а до 1958 року сонячні елементи використовувалися в різних невеликих наукових і комерційних додатках.

Енергетична криза 1970-х років поклала початок великому інтересу до використання сонячних елементів для виробництва електроенергії в будинках і на підприємствах, але надмірна ціна (майже в 30 разів вища за поточну) робила великомасштабне застосування недоцільним.

Розвиток галузі та дослідження в наступні роки зробили фотоелектричні пристрої більш реалістичними, і почався цикл збільшення виробництва та зниження витрат, який триває і сьогодні.

Витрати на сонячну фотоелектрику

Стрімке падіння зробило сонячну енергію більш доступною, ніж будь-коли. Середня ціна готової фотоелектричної системи впала на 59 відсотків за останнє десятиліття.

працює, сонячна, батарея, зберігання, енергії

Для отримання додаткової інформації про стан ринку сонячних фотоелектричних систем в США відвідайте нашу сторінку з даними про сонячну енергетику.

Сучасна фотовольтаїка

Вартість фотоелектричних панелей різко знизилася, оскільки промисловість збільшила масштаби виробництва та поступово вдосконалювала технологію за допомогою нових матеріалів. Витрати на встановлення також знизилися завдяки більш досвідченим та навченим монтажникам. В усьому світі всі типи фотоелектричних систем.S. має третій за величиною ринок фотоелектричних установок і продовжує стрімко зростати.

Більшість сучасних сонячних елементів виготовляються або з кристалічного кремнію, або з тонкоплівкового напівпровідникового матеріалу. Кремнієві елементи більш ефективно перетворюють сонячне світло в електрику, але, як правило, мають вищі виробничі витрати. Тонкоплівкові матеріали, як правило, мають нижчу ефективність, але можуть бути простішими і дешевшими у виробництві. Спеціалізована категорія сонячних елементів. так звані багатоперехідні або тандемні фотоелементи. використовуються в додатках, що вимагають дуже малої ваги і дуже високої ефективності, наприклад, на супутниках і у військовій сфері. Всі типи фотоелектричних систем сьогодні широко використовуються в різних сферах застосування.

Сьогодні існують тисячі окремих моделей фотоелектричних панелей від сотень компаній. Порівняйте сонячні панелі за ефективністю, вихідною потужністю, гарантіями та іншим на EnergySage.

Сонячні елементи

Сонячні елементи фактично є напівпровідниковими діодами великої площі. Завдяки фотоелектричному ефекту енергія світла (енергія фотонів) перетворюється в електричний струм. На p-n переході створюється електричне поле, яке призводить до розділення носіїв заряду (електронів і дірок). При падінні потоку фотонів на напівпровідниковий матеріал вивільняються електрони, якщо енергія фотонів достатня. Контакт з сонячним елементом здійснюється за допомогою металевих контактів. Якщо ланцюг замкнутий, тобто підключено електричне навантаження, то протікає постійний струм. Енергія фотонів надходить у пакетах, які називаються квантами. Енергія кожного кванта залежить від довжини хвилі видимого світла або електромагнітних хвиль. Електрони вивільняються, але електричний струм протікає лише тоді, коли енергія кожного кванта більша за WL. WV (межі валентної та провідної зон). Залежність між частотою та енергією падаючих фотонів наступна:

h. Постійна Планка (6,626-10.34 Дж), μ. частота (Гц)

Кристалічні сонячні елементи

Серед усіх видів сонячних елементів ми описуємо лише кремнієві сонячні елементи, оскільки вони є найбільш широко використовуваними. Їх ефективність обмежена кількома факторами. Енергія фотонів зменшується при збільшенні довжини хвилі. Найбільша довжина хвилі, коли енергія фотона все ще достатньо велика, щоб створювати вільні електрони, становить 1.15 мкм (тільки для кремнію). Випромінювання з більшою довжиною хвилі викликає лише нагрівання сонячного елемента і не виробляє електричного струму. Кожен фотон може спричинити утворення лише однієї електронно-діркової пари. Тому навіть при менших довжинах хвиль багато фотонів не утворюють електронно-діркових пар, але вони впливають на підвищення температури сонячного елемента. Найвища ефективність кремнієвих сонячних елементів становить близько 23%, у деяких інших напівпровідникових матеріалів до 30%, що залежить від довжини хвилі і напівпровідникового матеріалу. Власні втрати викликані металевими контактами на верхній стороні сонячного елемента, опором сонячного елемента і через відбиття сонячного випромінювання на верхній стороні (склі) сонячного елемента. Кристалічні сонячні елементи, як правило, являють собою пластини, близько 0.товщиною 3 мм, випиляні зі злитка Si діаметром від 10 до 15 см. Вони генерують приблизно 35 мА струму на см2 площі (разом до 2 А/елемент) при напрузі 550 мВ при повному освітленні. Лабораторні сонячні елементи мають ефективність до 30 %, а класичні сонячні елементи. до 20 %.

Пластини та кристалічні сонячні елементи (завдяки: SolarWorld)

Амоні сонячні елементи

Ефективність амоних сонячних елементів зазвичай становить від 6 до 8 %. Термін служби амоних елементів коротший за термін служби кристалічних елементів. Амоні елементи мають щільність струму до 15 мА/см 2. а напруга елемента без підключеного навантаження дорівнює 0.8 В, що більше в порівнянні з кристалічними елементами. Їх спектральна характеристика досягає максимуму на довжинах хвиль синього світла, тому ідеальним джерелом світла для амоних сонячних елементів є люмінесцентна лампа.

Поверхня різних сонячних елементів, як видно через мікроскоп (люб’язно надано: Helmholtz-Zentrum Berlin)

Моделі сонячних елементів

Найпростіша модель сонячного елемента складається з діода і джерела струму, з’єднаних паралельно. Струм джерела струму прямо пропорційний сонячному випромінюванню. Діод являє собою PN-перехід сонячного елемента. Рівняння ідеального сонячного елемента, що представляє собою ідеальну модель сонячного елемента, має вигляд:

IL. струм, що генерується світлом [1] (А), становить. зворотний струм насичення [2] (А) (приблизний діапазон 10.8 А/м 2 ) V. Напруга на діоді (В), В. теплова напруга (див. рівняння нижче), VT = 25.7 мВ при 25°C n. коефіцієнт ідеальності діода = 1. 2 (n = 1 для ідеального діода)

Теплова напруга VT (В) може бути розрахована за допомогою наступного рівняння:

k. Постійна Больцмана = 1.38-10.23 ДЖ/К, Т. температура (K) q. заряд електрона = 1.6-10.19 Як

Рисунок 1: Ідеальна модель сонячного елемента

РИСУНОК 2: Реальна модель сонячного елемента з послідовним і паралельним опором [3] Rs і Rp, внутрішній опір призводить до падіння напруги і паразитних струмів

Робоча точка сонячного елемента залежить від навантаження та сонячного випромінювання. На малюнку можна побачити вольтамперні характеристики при короткому замиканні і розімкнутому ланцюзі. Дуже важливим моментом в I-U характеристиках є точка максимальної потужності, MPP. На практиці ми рідко можемо досягти цієї точки, оскільки при більшому сонячному опроміненні навіть температура елемента збільшується, а отже, зменшується вихідна потужність. Послідовні та паралельні паразитні опори впливають на нахил кривої I-V. Як міра якості сонячного елемента використовується коефіцієнт заповнення, FF. Її можна розрахувати за допомогою наступного рівняння:

IMPP. струм MPP (A), VMPP. Напруга MPP (V) Isc. струм короткого замикання (А), Voc. напруга холостого ходу (В)

У випадку ідеального сонячного елемента коефіцієнт заповнення є функцією параметрів відкритого контуру і може бути розрахований наступним чином:

Де voc. нормалізована напруга Voc (В), розрахована за наведеним нижче рівнянням:

k. Постійна Больцмана = 1,38-10.23 ДЖ/К, Т. температура (K) q. заряд електрона = 1,6-10.19 As, n. коефіцієнт ідеальності діода (-) Voc. напруга холостого ходу (В)

Для детального чисельного моделювання слід використовувати більш точні моделі, такі як модель з двома діодами. Для додаткових пояснень і подальшого опису моделей сонячних елементів, будь ласка, зверніться до літератури нижче.

Характеристики сонячних елементів

Зразки вольтамперних і енергетичних характеристик сонячних елементів представлені на малюнках нижче. Типовими точками на характеристиках сонячного елемента є холостий хід (коли навантаження не підключено), коротке замикання і точка максимальної потужності. Представлені характеристики були розраховані для сонячного елемента з наступними даними: Voc = 0,595 мВ, Isc = 4,6 А, IMPP = 4,25 А, VMPP = 0,51 В і температурний коефіцієнт PMPP γ =.0,005 %/K. Використано алгоритм розрахунку, представлений у книзі Photovoltaik Engineering (Wagner, див. джерела).

Рисунок 3: I-V характеристики сонячного елемента для різних значень опромінення

РИСУНОК 4: Енергетичні характеристики сонячного елемента для різних значень опромінення

РИСУНОК 5: Температурна залежність I-V характеристик сонячного елемента

РИСУНОК 6: Залежність енергетичних характеристик сонячного елемента від температури

[1] Іноді також використовується термін фотострум IPh.
[2] Іноді також використовується термін темновий струм Io.
[3] Для паралельного опору також використано шунтуючий резистор Rш.

Інструменти моделювання

Open Photovoltaics Analysis Platform. Open Photovoltaics Analysis Platform (OPVAP). це група програмного забезпечення, що використовується в області сонячних елементів, яка включає аналіз експериментальних даних, розрахунок оптимальної архітектури на основі ваших матеріалів, і навіть деякі інструменти помічника дослідника, такі як PicureProcess.

Модель органічного фотоелектричного пристрою. Модель органічних фотоелектричних пристроїв (OPVDM). це безкоштовна 1D модель дрейфової дифузії, спеціально розроблена для моделювання об’ємних гетероперехідних органічних сонячних елементів, таких як ті, що базуються на системі матеріалів P3HT:PCBM. Модель містить як електричний, так і оптичний розв’язувач, що дозволяє моделювати як характеристики струму/напруги, так і оптичний модальний профіль в пристрої. Модель та її простий у використанні графічний інтеейс доступний як для Linux, так і для Windows.

Інші технології. Посилання

NanoFlex Power. гнучкі органічні сонячні елементи.

енергія спіралі. технологія сферичних сонячних елементів.

Залишити відповідь