O princípio de funcionamento de uma bateria solar: como funciona e funciona um painel solar

Converter eficazmente os raios solares livres em energia que pode ser usada para abastecer casas e outras instalações é o sonho acalentado de muitos apologistas da energia verde.

Mas o princípio de funcionamento da bateria solar e sua eficiência são tais que ainda não há necessidade de falar sobre a alta eficiência de tais sistemas. Seria bom ter sua própria fonte adicional de eletricidade. Não é? Além disso, ainda hoje na Rússia, com a ajuda de painéis solares, um número considerável de residências privadas é abastecido com sucesso com electricidade “gratuita”. Ainda não sabe por onde começar?

A seguir falaremos sobre o design e os princípios de operação de um painel solar; você aprenderá do que depende a eficiência de um sistema solar. E os vídeos postados na matéria vão te ajudar a montar um painel solar a partir de fotocélulas com as próprias mãos.

Painéis solares: terminologia

Existem muitas nuances e confusões no tema “energia solar”. Muitas vezes é difícil para os iniciantes entenderem todos os termos desconhecidos no início. Mas sem isso não é razoável se dedicar à energia solar, adquirindo equipamentos para geração de corrente “solar”.

Inconscientemente, você pode não apenas escolher o painel errado, mas também simplesmente queimá-lo ao conectá-lo ou extrair muito pouca energia dele.

Primeiramente, você deve entender os tipos de equipamentos existentes para energia solar. Painéis solares e coletores solares são dois dispositivos fundamentalmente diferentes. Ambos convertem a energia dos raios solares.

Porém, no primeiro caso, o consumidor recebe energia elétrica na saída e, no segundo, energia térmica na forma de refrigerante aquecido, ou seja, painéis solares são usados ​​para aquecimento doméstico.

O máximo retorno de um painel solar só pode ser obtido sabendo como ele funciona, em que componentes e conjuntos ele consiste e como está tudo conectado corretamente

A segunda nuance é o conceito do termo “bateria solar”. Normalmente, a palavra “bateria” refere-se a algum tipo de dispositivo de armazenamento elétrico. Ou um radiador de aquecimento banal vem à mente. Contudo, no caso das baterias solares a situação é radicalmente diferente. Eles não acumulam nada em si mesmos.

O painel solar gera uma corrente elétrica constante. Para convertê-lo em variável (usado no dia a dia), um inversor deve estar presente no circuito

Os painéis solares são projetados exclusivamente para gerar corrente elétrica. Esta, por sua vez, é acumulada para abastecer a casa com eletricidade à noite, quando o sol se põe no horizonte, já nas baterias presentes adicionalmente no circuito de alimentação da instalação.

A bateria aqui se refere a um determinado conjunto de componentes semelhantes montados em um único todo. Na verdade, é apenas um painel de várias fotocélulas idênticas.

Estrutura interna de uma bateria solar

Gradualmente, os painéis solares estão se tornando mais baratos e mais eficientes.Eles agora são usados ​​para recarregar baterias em postes de iluminação pública, smartphones, carros elétricos, residências particulares e em satélites no espaço. Eles até começaram a construir usinas de energia solar (SPPs) completas com grandes volumes de geração.

Uma bateria solar consiste em muitas fotocélulas (conversores fotoelétricos) que convertem a energia dos fótons do sol em eletricidade

Cada bateria solar é projetada como um bloco de um certo número de módulos, que combinam fotocélulas semicondutoras conectadas em série. Para compreender os princípios de funcionamento de tal bateria, é necessário compreender o funcionamento deste elo final no dispositivo de painel solar, criado com base em semicondutores.

Tipos de cristais fotocélulas

Há um grande número de opções de FEP feitas a partir de diferentes elementos químicos. No entanto, a maioria deles são desenvolvimentos em estágios iniciais. Até agora, apenas painéis feitos de células fotovoltaicas à base de silício são produzidos em escala industrial.

Os semicondutores de silício são utilizados na fabricação de células solares devido ao seu baixo custo; eles não podem se orgulhar de uma eficiência particularmente alta

Uma fotocélula típica em um painel solar é um wafer fino de duas camadas de silício, cada uma com suas próprias propriedades físicas. Esta é uma junção semicondutora pn clássica com pares elétron-buraco.

Quando os fótons atingem a célula fotovoltaica entre essas camadas semicondutoras, devido à falta de homogeneidade do cristal, um foto-EMF de porta é formado, resultando em uma diferença de potencial e uma corrente de elétrons.

As bolachas de silício das células solares diferem na tecnologia de fabricação em:

1. Monocristalino.
2. Policristalino.

Os primeiros têm maior eficiência, mas o custo de sua produção é superior ao dos segundos. Externamente, uma opção pode ser distinguida de outra em um painel solar pelo seu formato.

As células solares monocristalinas têm uma estrutura homogênea, são feitas em forma de quadrados com cantos recortados. Em contraste, os elementos policristalinos têm uma forma estritamente quadrada.

Os policristais são obtidos pelo resfriamento gradual do silício fundido. Este método é extremamente simples, razão pela qual essas fotocélulas são baratas.

Mas a sua produtividade em termos de geração de eletricidade a partir dos raios solares raramente ultrapassa os 15%. Isto se deve à “impureza” das pastilhas de silício resultantes e à sua estrutura interna. Aqui, quanto mais pura for a camada de silício p, maior será a eficiência da célula solar a partir dela.

A pureza dos monocristais neste aspecto é muito maior do que a dos análogos policristalinos. Eles não são feitos de cristal fundido, mas de cristal de silício sólido cultivado artificialmente. O coeficiente de conversão fotoelétrica dessas células solares já chega a 20-22%.

As fotocélulas individuais são montadas em um módulo comum sobre uma moldura de alumínio e, para protegê-las, são revestidas na parte superior com vidro durável, que não interfere de forma alguma com os raios solares.

A camada superior da placa fotocélula voltada para o sol é feita do mesmo silício, mas com adição de fósforo. É este último que será a fonte do excesso de elétrons no sistema de junção pn.

Um verdadeiro avanço no campo da energia solar foi o desenvolvimento de painéis flexíveis com silício fotovoltaico amorfo:

Princípio de funcionamento do painel solar

Quando a luz solar incide sobre uma fotocélula, pares elétron-buraco fora de equilíbrio são gerados nela. O excesso de elétrons e lacunas é parcialmente transferido através da junção pn de uma camada do semicondutor para outra.

Como resultado, aparece tensão no circuito externo. Neste caso, um pólo positivo da fonte de corrente é formado no contato da camada p e um pólo negativo na camada n.

A diferença de potencial (tensão) entre os contatos da fotocélula aparece devido a uma mudança no número de “buracos” e elétrons em diferentes lados da junção p-n como resultado da irradiação da camada n com raios solares

Fotocélulas conectadas a uma carga externa em forma de bateria formam um círculo vicioso com ela. Como resultado, o painel solar funciona como uma espécie de roda ao longo da qual os elétrons “correm” juntos entre as proteínas. E a bateria ganha carga gradualmente.

Os conversores fotovoltaicos de silício padrão são células de junção única.O fluxo de elétrons para eles ocorre apenas através de uma junção p-n com uma zona dessa transição limitada em energia de fótons.

Ou seja, cada uma dessas fotocélulas é capaz de gerar eletricidade apenas a partir de um estreito espectro de radiação solar. Todas as outras energias são desperdiçadas. É por isso que a eficiência do FEP é tão baixa.

Para aumentar a eficiência das células solares, os elementos semicondutores de silício para elas começaram recentemente a ser feitos de multijunção (cascata). Já existem várias transições nas novas células solares. Além disso, cada um deles nesta cascata é projetado para seu próprio espectro de luz solar.

A eficiência total de conversão de fótons em corrente elétrica para essas fotocélulas acaba aumentando. Mas o preço deles é muito mais alto. Aqui, ou facilidade de fabricação com baixo custo e baixa eficiência, ou maiores retornos aliados a alto custo.

O painel solar pode funcionar tanto no verão quanto no inverno (precisa de luz, não de calor) - quanto menos nublado e mais forte o sol brilhar, mais corrente elétrica o painel solar irá gerar

Durante o funcionamento, a fotocélula e toda a bateria aquecem gradualmente. Toda a energia que não foi utilizada para gerar corrente elétrica é transformada em calor. Freqüentemente, a temperatura na superfície do painel solar sobe para 50–55 °C. Mas quanto mais alto, menos eficientemente a célula fotovoltaica opera.

Como resultado, o mesmo modelo de bateria solar gera menos corrente em climas quentes do que em climas frios. As fotocélulas apresentam eficiência máxima em um dia claro de inverno. Há dois fatores em jogo aqui: muito sol e resfriamento natural.

Além disso, se a neve cair no painel, ele continuará a gerar eletricidade.Além disso, os flocos de neve nem terão tempo de repousar muito sobre ele, tendo derretido com o calor das fotocélulas aquecidas.

Eficiência da bateria solar

Uma fotocélula, mesmo ao meio-dia com tempo claro, produz muito pouca eletricidade, apenas o suficiente para operar uma lanterna LED.

Para aumentar a potência de saída, várias células solares são combinadas num circuito paralelo para aumentar a tensão CC e num circuito em série para aumentar a corrente.

A eficiência dos painéis solares depende de:

• temperatura do ar e da própria bateria;
• seleção correta da resistência de carga;
• ângulo de incidência da luz solar;
• presença/ausência de revestimento antirreflexo;
• potência de fluxo luminoso.

Quanto mais baixa a temperatura externa, mais eficientes serão as fotocélulas e a bateria solar como um todo. Tudo é simples aqui. Mas com o cálculo de carga a situação é mais complicada. Deve ser selecionado com base na corrente fornecida pelo painel. Mas seu valor varia dependendo de fatores climáticos.

Os painéis solares são produzidos com uma tensão de saída múltipla de 12 V - se for necessário fornecer 24 V à bateria, dois painéis deverão ser conectados a ela em paralelo

Monitorar constantemente os parâmetros de uma bateria solar e ajustar manualmente sua operação é problemático. Para isso é melhor usar controlador de controle, que ajusta automaticamente as configurações do painel solar para obter o máximo desempenho e modos de operação ideais.

O ângulo ideal de incidência dos raios solares em uma bateria solar é reto. Contudo, se o desvio estiver dentro de 30 graus da perpendicular, a eficiência do painel cai apenas cerca de 5%.Mas com um aumento adicional neste ângulo, uma proporção crescente de radiação solar será reflectida, reduzindo assim a eficiência da célula solar.

Se a bateria precisar produzir energia máxima no verão, ela deverá ser orientada perpendicularmente à posição média do Sol, que ocupa nos equinócios da primavera e do outono.

Para a região de Moscou, isso representa aproximadamente 40–45 graus em relação ao horizonte. Se for necessário o máximo no inverno, o painel deve ser colocado em uma posição mais vertical.

E mais uma coisa: poeira e sujeira reduzem muito o desempenho das fotocélulas. Os fótons simplesmente não chegam até eles através de uma barreira tão “suja”, o que significa que não há nada para converter em eletricidade. Os painéis devem ser lavados regularmente ou colocados de forma que o pó seja removido pela chuva por conta própria.

Alguns painéis solares possuem lentes embutidas para concentrar a radiação na célula solar. Com tempo claro, isso leva a uma maior eficiência. Porém, em nuvens pesadas, essas lentes só causam danos.

Se um painel convencional em tal situação continuar a gerar corrente, embora em volumes menores, o modelo de lente irá parar de funcionar quase completamente.

Idealmente, o sol deve iluminar uniformemente uma bateria de fotocélulas. Se uma de suas seções ficar escurecida, as células solares apagadas se transformarão em uma carga parasita. Em tal situação, eles não apenas não geram energia, mas também a retiram dos elementos de trabalho.

Os painéis devem ser instalados de forma que não haja árvores, edifícios ou outros obstáculos no caminho dos raios solares.

Diagrama de fornecimento de energia solar para casa

O sistema de fornecimento de energia solar inclui:

1. Painéis solares.
2. Controlador.
3. Baterias.
4. Inversor (transformador).

O controlador neste circuito protege painéis solares e baterias. Por um lado, evita o fluxo de correntes reversas à noite e em tempo nublado e, por outro, protege as baterias de carga/descarga excessiva.

As baterias recarregáveis ​​para painéis solares devem ser selecionadas da mesma idade e capacidade, caso contrário, a carga/descarga ocorrerá de forma desigual, o que levará a uma redução acentuada na sua vida útil.

Para transformar corrente contínua de 12, 24 ou 48 volts em corrente alternada de 220 volts você precisa inversor. Baterias de automóveis não são recomendadas para uso em tal circuito devido à sua incapacidade de suportar recargas frequentes. É melhor gastar dinheiro e comprar baterias especiais de hélio AGM ou OPzS inundadas.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Princípios operacionais e diagramas de conexão do painel solar não é muito difícil de entender. E com os materiais de vídeo que coletamos abaixo, ficará ainda mais fácil entender todos os meandros do funcionamento e instalação dos painéis solares.

É acessível e compreensível o funcionamento de uma bateria solar fotovoltaica, em todos os seus detalhes:

Veja como funcionam os painéis solares no vídeo a seguir:

Montagem de painel solar DIY a partir de fotocélulas:

Cada elemento em sistema de energia solar a casa de campo deve ser escolhida corretamente. Perdas de energia inevitáveis ​​ocorrem nas baterias, transformadores e controlador. E devem ser reduzidos ao mínimo, caso contrário a já bastante baixa eficiência dos painéis solares será reduzida a zero.

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