Princip fungování solární baterie: Jak solární panel funguje a funguje

Ve filmu „Office Romance“ vedl hlavní hrdina, soudruh Novoseltsev, klidný, předvídatelný „pracovní“ život. Ale žena všechno změnila – Lyudmila Prokofievna Kalugina. Kvůli komunikaci s ní začal Novoseltsev dělat pro něj neobvyklé věci: chodit na rande a posouvat se po kariérním žebříčku. Roli Ludmily Prokofjevny pro elektrony v solární baterii hrají fotony viditelného světla. Energia+ zjišťovala, jak se světelná energie přeměňuje na elektrickou energii, jak funguje solární baterie a jaké jsou perspektivy solárních elektráren.

Přísná šéfka Lyudmila Kalugina ve filmu působila arogantně a nedokázala se svými podřízenými jednat jako se skutečnými lidmi. “Naše mymra!” – volali ji do týmu, dokud si nevšimli jejích měkkých povahových rysů.

Ne každý dokáže rozeznat složky slunečního světla, stejně jako aspekty osobnosti vysokého managementu – Slunce je pro naše oči jako souvislá světlá skvrna. Ve skutečnosti se jeho paprsky skládají z elektromagnetických vln, které se od hvězdy rozptylují do všech směrů. Některé vlny se dostanou k Zemi, kde projdou vrstvami atmosféry a když narazí na překážku, jako je solární baterie, mohou se chovat neobvykle – jako částice (fotony). Interagují s atomy hmoty solárních článků, podobně jako se koule vzájemně ovlivňují na kulečníkovém stole – srážejí se a vyměňují si energii. Jak tedy solární baterie funguje?

Princip činnosti solární baterie je založen na přeměně sluneční energie na elektrický proud pomocí fotovoltaického jevu. Když světlo dopadne na solární článek, fotony předají svou energii elektronům atomů v materiálu solárních článků. Elektrony se stávají „aktivnějšími“ a jako Novoseltsev z „Office Romance“ mohou opustit svou komfortní zónu – opustit hranice svých atomů a stát se volnými nosiči náboje. Mohou se ale takto chovat všechny elektrony a kde skončí ty, které uspějí?

Proces, při kterém elektrony interagují s fotony, se nazývá fotoelektrický jev. Albert Einstein dal rovnici fotoelektrického jevu v roce 1905. Tento proces vysvětlil zavedením konceptu kvant, tedy částí energie. Právě za popis fotoelektrického jevu, a nikoli za slavný vzorec E = mc 2, dostal fyzik v roce 1921 Nobelovu cenu.

Fotoelektrický jev poprvé objevil v roce 1887 Heinrich Hertz. Vědec zkoumal vyzařování elektromagnetických vln pomocí speciálního jiskřiště – tyče rozříznuté na polovinu s dvojicí kovových kuliček na koncích, mezi kterými při přivedení napětí přeskočila jiskra. Hertz objevil, že když byla negativně nabitá koule ozářena ultrafialovým světlem, vznikla jiskra při nižším napětí. O rok později ruský fyzik Alexander Stoletov podrobně studoval fenomén fotoelektrického jevu a formuloval jeho hlavní principy a teprve poté Einstein podal popis fotoelektrického jevu.

Co se děje v solárním panelu

Nejprve se podívejme na strukturu solární baterie. Skládá se z prvků (fotočlánků) a každý z nich se skládá ze dvou vrstev křemíku. Jedna vrstva obsahuje příměs fosforu. Ve vnějším obalu jeho atomů je pět elektronů a ve vnějším obalu atomů křemíku čtyři. Vnější elektrony křemíku a fosforu se mohou vzájemně „spojit“ do párů a vytvořit kovalentní vazby, ale jeden elektron, pátý, zůstane bez páru a bude tiše pozorovat na vedlejší koleji. Spojení bakalářského elektronu s jádrem zeslábne a k jeho vytlačení z nativního atomu bude potřeba mnohem méně energie – postačí dopad fotonu slunečního světla. Vlivem přebytku elektronů slabě vázaných na jádra se z křemíku s příměsí fosforu stává polovodič typu n s elektronovou vodivostí.

Druhá vrstva křemíku v solárním článku také obsahuje nečistoty, ale jiného typu. Příkladem takové nečistoty je bor, jehož atomy mají ve vnějším obalu tři elektrony. V tomto případě zůstává jeden nevázaný elektron atomu křemíku a prožívá svou osamělost agresivněji než elektron nečistoty fosforu. Z osamělého elektronu se stane vrakovník. Rozbije kovalentní vazbu tvořenou sousedními elektrony dvou atomů křemíku, jednomu z atomů vezme elektron a v druhém zůstane prázdné místo – díra. Atom s dírou místo elektronu se chová jako kladně nabitá částice, jejíž náboj se číselně rovná náboji elektronu. Výsledkem je, že bórem dotovaná křemíková vrstva se stává polovodičem typu p s děrovou vodivostí.

Když se dvě vrstvy dostanou do kontaktu, záporně nabitý elektron a kladně nabitá díra se mohou volně pohybovat, proto se jim někdy říká volné nosiče náboje. Nosiče, stejně jako všichni ostatní v přírodě, sní o rovnováze náboje a chtějí se dostat do vrstvy, kde najdou pár: elektrony mají tendenci proudit do polovodiče typu p a díry do polovodiče typu n. Překročit hranici mezi vrstvami ale není snadné a nosiče náboje se podél ní seřadí. Kvůli tomu vzniká mezi různými vrstvami na pn přechodu bariéra elektrického pole a elektrony a díry ji mohou překonat pouze prostřednictvím vnějšího elektrického obvodu – užitečné zátěže (například žárovky). Tento řízený pohyb nábojů je elektrický proud ve vnějším obvodu.

Přijali jsme proud. tak co bude dál?

Solární baterie sama o sobě nerozsvítí žárovku ani nenabije telefon a úroveň napětí závisí na osvětlení panelů. Aby byl výkon autonomní baterie maximalizován a zátěž mohla být připojena k síti, používají se tzv. regulátory nabíjení – neustále mění proud solární baterie (výkon je roven součinu proudu a napětí) . Pokud je baterie připojena k centralizované síti, používá se invertor pro přeměnu stejnosměrného proudu solární baterie na střídavý proud.

Ne každý foton „motivuje“ elektrony v solárních panelech k přeměně na elektrický proud. Některé fotony se prostě od povrchu odrazí – díky vysokému indexu lomu křemík silně odráží světlo. To je důvod, proč sluneční světlo dostupné ve velkém množství nemůže být plně přeměněno na elektrický proud. Pro snížení ztrát odrazem jsou solární články potaženy antireflexní vrstvou a jejich povrch je uměle ztmaven.

Je zvykem zakrývat solární baterii průhledným sklem: chrání před vlhkostí a fotony, jejichž energie je příliš vysoká: bez skla projdou přímo baterií a zahřejí ji, než aby odevzdávaly energii elektronům – např. příliš hlasitý hlas šéfa z „Office Romance“ nemotivuje hlavní postavu k dosažení úspěchů.

Vedoucí výzkumný pracovník ve Spojeném ústavu pro vysoké teploty Ruské akademie věd

Na jednom solárním článku se objeví napětí 0,6-0,7 voltu – to nestačí pro potřeby spotřebitelů. Proto jsou prvky sestaveny sekvenčně do baterií 36, 60 nebo 72 kusů, což umožňuje provozní napětí 12–48 voltů – to je srovnatelné s napětím autobaterií.

Účinnost a budoucnost solárních panelů

První solární panely se objevily v polovině minulého století. Nejžádanější jsou stále křemíkové moduly: vzhledem k velkým objemům výroby křemíku požadované kvality zaujímají téměř 95 % současného trhu s měniči světelné energie. V průběhu let se jejich účinnost zvýšila: komerční solární panely efektivně zpracovávají asi 17–19 % slunečního záření, které je dopadá. U laboratorních vzorků vyrobených z perovskitu a křemíku se podařilo překonat číslo 30 %.

Solární panely dodávají energii malým objektům – soukromým domům, malým budovám, čerpacím stanicím, panely jsou instalovány v průmyslových podnicích, ale solární elektrárny samy o sobě nebudou schopny pokrýt rostoucí energetické potřeby lidstva.

Hlavními výzvami při výstavbě solárních parků jsou přeprava a skladování energie a výkon panelů snižuje prach a nečistoty, zatažené dny a dokonce i silné horko. Solární elektrárny dnes produkují méně než 4 % světové elektřiny, zatímco uhlí, ropa a plyn nadále pokrývají více než 80 % energetických potřeb lidstva.

V poslední době se stále více uvažuje o solární energii jako o plnohodnotné alternativě klasické energie. Solární panely se již nezdají být velmi vzácné, ale to neznamená, že plně rozumíme jejich fungování. Protože v budoucnu je možný úplný přechod k přírodní energii, navrhuji zjistit, s čím se lidstvo musí vypořádat. Dnes každý, kdo má finanční možnosti na jejich nákup, může sestavit a nainstalovat solární panely (nebo vědecky fotovoltaické panely). Náklady na vybavení jsou poměrně vysoké. Počáteční náklady ale více než kompenzuje možnost využít zdarma elektřinu získanou z ekologického zdroje. Navíc nyní dochází k neustálému poklesu cen baterií, což znamená, že je bude moci používat stále více lidí.

Vysoká cena zdroje se vysvětluje vysokou cenou křemíku, ze kterého jsou panely vyráběny. Může být mono- nebo polykrystalický. V prvním případě je maximální účinnost 24%, ve druhém – 18%. Liší se také technologie výroby a cena. Levnější polykrystalické produkty jsou účinnější v oblačném počasí a v horkém počasí jejich produktivita klesá více než jejich monokrystalické protějšky.

Historie výskytu

Princip objevil Alexandre Becquerel v roce 1839. Během experimentu s elektrolyty vědec zjistil, že když jsou částice vystaveny světlu, produkují malé množství proudu. Tento efekt byl nazván fotoelektrický a podnítil další výzkum v oblasti fotovoltaiky. Jednalo se o první zdokumentovaný případ přímé přeměny světla na elektřinu. Trvalo však více než tři desetiletí, než se objevily první polovodiče. Právě toto období je považováno za zahájení prací na prototypu moderních elektráren.

Trvalo však více než tři desetiletí, než příběh pokračoval. V roce 1873 dva britští vědci Willoughby Smith zjistili, že když je selen vystaven světlu, mění elektrickou vodivost. Efekt fotovodivosti selenu tvořil základ fotovoltaických článků, které byly následně použity v prvních televizních systémech. V roce 1883 vyrobil Američan Charles Fritts desky ze selenu a potáhl je zlatem. Jednalo se o první solární baterii s minimální účinností 1,5 %. Další obrovský krok ve vytváření solárních panelů byl učiněn o 70 let později, kdy byl nalezen dostupnější materiál s podobnými vlastnostmi – křemík, který zvýšil účinnost instalací na 6 %. V roce 1956 vstoupily panely na komerční trh a našly své první kupce. Iniciativa patřila společnosti Western Electric. Na střeše Bílého domu byly instalovány zejména solární panely.

V 70. letech minulého století, na pozadí prudkého nárůstu cen ropy, začaly práce na vytváření cenově výhodnějších panelů. V 80. letech se aktivně pracovalo na vytvoření solárních elektráren, které zahrnovaly přeměnu sluneční energie na teplo. V roce 1994 se objevily baterie s účinností pětkrát vyšší než jejich předchůdci (30 %). V posledním desetiletí začala výroba solárních článků pomocí tištěných fotovoltaických fólií, které měly účinnost 20 %. To umožnilo výrazně rozšířit rozsah jejich aplikace a v budoucnu by měly zcela nahradit drahé a objemné křemíkové moduly.

Klíčové ukazatele a na čem závisí

Výkon instalace závisí na napětí a objemu výstupního proudu, které určují dva parametry: intenzitu světla dopadajícího na povrch baterie a přijímací plochu. Čím méně světla solární článek přijímá, tím nižší je výkon. To znamená, že za oblačného počasí vyrobí méně energie.

Pokud je v obvodu zátěž, objeví se další indikátor, který ovlivňuje velikost proudu – jeho odpor (Rн). Výkon generovaný v zátěži (Рн) se vypočítá podle vzorce: P=UI, kde I je hodnota proudu, U je napětí na svorkách.

Maximální účinnost a výkon lze získat při určité optimální hodnotě odporu – Ropt. Hodnota je individuální pro každý konkrétní převodník a závisí také na kvalitě a parametrech přijímací plochy a úrovni osvětlení.

Zařízení se solárním panelem

Instalace se tradičně skládá z několika částí:

• Solární panel, který generuje stejnosměrný proud.
• Baterie vybavená regulátorem nabíjení.
• Invertor pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý proud.

Solární panel

Panel je sestaven ze solárních článků zapojených paralelně a sériově. Sériové zapojení je navrženo pro zvýšení výstupního napětí, zatímco paralelní zapojení zvyšuje proud. Kombinovaný typ připojení umožňuje zvýšit oba indikátory a zvýšit spolehlivost systému, protože porucha jednoho prvku nepoškodí celý obvod. Když některé prvky nejsou vystaveny slunečnímu záření, jejich elektromotorická síla (EMF) mizí a aktivní odpor se zvyšuje. Začnou spotřebovávat proud, vybíjejí baterie, což vede k přehřátí a poruše.

Aby se tomu zabránilo, jsou prvky shuntovány diodami, které jsou za normálního osvětlení uzamčeny EMF článku a otevřou se, když zmizí. V druhém případě veškerý proud prochází kolem zatemněného prvku. Žádný proud – žádné přehřívání a následné poruchy. Zpravidla jsou instalovány čtyři diody – na každé čtvrté části panelu.

baterie

Jde o chemický zdroj proudu – vzniká v něm elektřina díky probíhajícím chemickým reakcím. Ta se hromadí a je přesměrována na zátěž. Nejoblíbenější jsou gelové a olověné baterie se snadnou instalací a minimálními nároky na údržbu. S hloubkou vybití až 20 % vám vydrží až 12 let. Zařízení se nabíjí za předpokladu, že pro něj vhodné provozní napětí překročí jeho vlastní a nabíjecí proud je dostatečný. Jednoduše řečeno, počet fotočlánků v solární baterii musí odpovídat objemu baterie. Pokud je to například 12 V, ke správnému nabití bude potřeba 36 článků.

Pokud není dostatek světla, nabití baterie se sníží a energie se přenese do elektrického přijímače. Provoz baterie v režimu nabíjení/vybíjení je řízen speciálním zařízením (ovladačem), přes který je baterie připojena k solárnímu panelu. Zejména přepne baterii na nižší rychlost nabíjení poté, co nabití dosáhne 90 % své původní kapacity. Přebytečnou energii pohltí rezistor, který se připojí při plném nabití baterie.

Střídače

Přeměňují stejnosměrný proud produkovaný solárními panely na střídavý proud. Právě na něm funguje většina domácích spotřebičů, spotřebičů a výrobních zařízení. V závislosti na typu elektrárny, ve které se používají, jsou tyto měniče následujících typů:

• Autonomní. Používají se, když není připojení k centralizovanému napájení.
• Síť. Jsou žádané v případech, kdy stanice fungují ve spojení s centralizovanými sítěmi a elektřina jde do společné sítě (výkupní tarif). Spolu s přeměnou stejnosměrného proudu na střídavý, zařízení reguluje napětí v této síti.
• Hybridní. Kombinují vlastnosti předchozích zařízení a mají nastavení vhodné pro samostatné i síťové stanice.

Podle typu výstupního signálu se měniče dělí na sinusové a kvazisinusové. První jmenované jsou dražší, ale jsou vhodné pro zařízení s jakýmkoli střídavým proudem, od čerpadel po transformátory. Posledně jmenované mají určitá omezení zatížení. Nižší cena je způsobena vyššími ztrátami. Absence převodníku snižuje možnosti využití stanice. Baterie bez invertoru může napájet spotřebiče, které pracují s konstantním napětím, jako jsou energeticky úsporné žárovky nebo přenosná zařízení.

Výhody, nevýhody panelů

Solární baterie mají řadu výhod, které je obtížné zpochybnit:

• Použití panelů nepoškodí životní prostředí, což je zvláště důležité na pozadí rostoucí výroby a aktivního využívání vyčerpatelných zdrojů.
• Instalaci můžete zaplatit během krátké doby přechodem na zcela bezplatný zdroj energie. Ve světle stále rostoucích cen elektřiny je to velmi racionální řešení.
• Takové stanice se snadno obsluhují a nevyžadují častou údržbu. Hlavní věcí je sledovat provozuschopnost všech prvků.
• Instalace může být instalována v rozmezí několika hodin až několika dnů v závislosti na jejích parametrech. Lze namítnout, že instalace zabere ještě méně času než proces výběru a nákupu zařízení.

Zásadní nevýhodou fotovoltaických panelů je vysoká cena. Moderní výroba je však zaměřena na její snížení a využívání volné energie po mnoho let zcela kompenzuje počáteční náklady.