Princip fungování solární baterie: Jak solární panel funguje a funguje
Solární panely se stávají stále oblíbenější alternativou k tradičním elektrocentrálám a stále častěji přemýšlíme, zda přejít na obnovitelné zdroje energie. Existuje však mnoho lidí, kteří zcela nerozumí principu fungování solárních panelů. V tomto článku se vám pokusíme sdělit vše, co potřebujete vědět o konstrukci, provozu a výhodách solárních panelů.
Historie vývoje technologií
Solární panely, někdy nazývané fotovoltaické (PV) panely, přeměňují sluneční světlo na energii, která se zase přeměňuje na elektřinu. Dá se již použít k napájení různých zařízení a spotřebičů. Sluneční světlo je tvořeno částicemi nazývanými „fotony“, které solární panely absorbují a vytvářejí sluneční energii.
A i když si mnozí mohou myslet, že solární panel je nějakým vynálezem poslední doby, práce na tomto problému začala před více než stoletím, kdy francouzský fyzik Becquerel objevil fotoelektrický jev. Vědcům se v roce 1941 podařilo patentovat první křemíkový solární článek.
Následovala desetiletí vývoje, abychom zajistili, že dnes máme možnost nakupovat vysoce výkonné solární panely za rozumnou cenu. Na úsvitu zavedení této technologie do přístrojových baterií ji bylo možné používat pouze s malými zařízeními, jako jsou například kalkulačky. Solární energie dnes může pohánět celé domácnosti a komerční budovy.
Hlavní typy solárních panelů
Účinnost solárních panelů závisí na typu článků a fólie použité v návrhu. V současnosti jsou na trhu čtyři hlavní typy solárních panelů.
Monokrystalické
Takové panely se skládají z článků vyrobených z jediného křemíkového krystalu. Monokrystalické solární panely jsou snadno odlišitelné od ostatních podle tmavě modré barvy. Tento typ panelu má nejdelší životnost. Přenosné solární panely EcoFlow také obsahují monokrystalické články kvůli jejich pevnosti a odolnosti.
Polykrystalický
Na rozdíl od monokrystalických panelů používají polykrystalické panely více než jeden krystal křemíku. Během výroby panelů se tekutý fragmentovaný křemík nalévá do čtvercové formy. Polykrystalické panely nejsou tak účinné jako monokrystalické panely. Snesou nižší teploty ohřevu, ale jsou cenově dostupnější.
panely PERC
Tento typ panelu byl vytvořen pro vylepšení klasického monokrystalického designu. Panely PERC mají pasivační vrstvu na zadním povrchu článku. Pasivační zářič a reflexní vrstva na zadní straně zvyšují okamžitou absorpci sluneční energie panelem. Taková vylepšení technologie se však promítají do konečných nákladů na panely. Panely PERC jsou zpravidla mnohem dražší než monokrystalické panely.
Tenký film
Vrstva filmu na těchto panelech je tak tenká, že panel činí pružným. Tento typ nevyžaduje žádný druh nosného rámu, což znamená, že takové panely váží mnohem lehčí a jsou vhodné pro přepravu. Tenkovrstvé solární panely jsou cenově nejvýhodnější možností na moderním trhu. Při výrobě a likvidaci zanechávají méně odpadu než jiné typy. Existují však také vážné nevýhody: tenkovrstvé panely jsou méně účinné, nemohou generovat stejné množství energie jako kterýkoli ze tří předchozích typů.
Jak solární panely vyrábějí elektřinu
Každý solární panel se skládá z mnoha FV článků, které přeměňují sluneční světlo (fotony) na sluneční energii. Invertor přeměňuje tuto energii na elektřinu a posílá ji do solárního panelu. Ta zase uchovává elektřinu, která bude napájet vaše zařízení a vybavení. Pokud máte přenosnou nabíjecí stanici, nemusíte hned solárovat. Záložní zdroj elektřiny můžete mít připravený k použití, když ji budete potřebovat.
Jak bylo uvedeno výše, tento proces výroby elektřiny je výsledkem existence fotovoltaického efektu uvnitř FV článků. Tyto články se skládají ze dvou polovodičů: p-typu a n-typu. Jednají společně a vytvářejí to, čemu se říká p/n křižovatka. V důsledku toho se vytváří elektrické pole, které způsobuje, že se kladně nabité částice pohybují opačným směrem, než je pohyb záporně nabitých částic. Takto se energie přenáší na elektrony uvnitř solárního panelu, čímž je nabíjí. Elektrony jsou také přeměněny a vytvářejí proud, který je absorbován FV články. Tento proud lze uložit do přenosné nabíjecí stanice nebo solárního panelu pro pozdější použití.
To vše může znít pro běžného člověka docela matoucí a komplikované, ale vše, co si musíte pamatovat, je, že jakmile sluneční paprsky dopadnou na panel, začnou je přeměňovat na elektřinu pro vaše použití. Je to velmi jednoduché!
Co dělá solární invertor?
Střídač solárních panelů převádí stejnosměrný proud na střídavý proud. Vaše fotovoltaické (FV) panely budou automaticky generovat stejnosměrný proud, ale abyste mohli používat elektrické spotřebiče, musíte jej převést na střídavý proud. Střídač funguje tak, že stejnosměrný proud je nepřetržitě dodáván tam a zpět, čímž se mění na střídavý proud. Úplně první měniče se objevily v 19. století. Dnes se jedná o kompaktní zařízení. Stejně jako solární panely jsou vyrobeny z polovodičových materiálů a jsou spolehlivé v provozu.
Výhody solárních panelů
Přechod na solární generátory je poměrně nákladný podnik, který v počáteční fázi vyžaduje značné investice. Odborníci však zaznamenávají řadu užitečných výhod takového přechodu. Pojďme si všechny výhody vyjmenovat a podrobněji rozebrat.
Plaťte méně za elektřinu
To je jedna z nejrychlejších a nejviditelnějších výhod. Již nebudete muset tolik záviset na centrálním napájení, zvláště pokud se ve vašem okolí neustále vyskytují problémy s jeho napájením. S dostatkem solárních panelů a nabíjecích stanic můžete úplně opustit jakýkoli jiný zdroj energie.
Plně obnovitelný zdroj energie
Naše planeta je z hlediska slunečního záření klidná, takže svůj solární generátor můžete dobíjet tak často, jak potřebujete. Jednoduše otočte solární panely směrem ke slunečním paprskům během dne. To je mnohem lepší pro životní prostředí než používání plynu nebo benzínu.
Ekologický životní styl
V posledních letech jsme začali více myslet na životní prostředí. Klimatická krize nás přiměla přehodnotit naši spotřebu a pochopit, jak můžeme naší planetě pomoci. A používání čisté solární energie je dobrým prvním krokem. Solární generátory EcoFlow navíc neprodukují škodlivé emise, které jsou škodlivé pro vás i pro ovzduší.
Vhodné do každého klimatu
Obvyklá mylná představa o tom, jak FV panely fungují, je, že fungují na intenzivním slunečním světle. Ale to není pravda. Pokud přes den byť jen trochu svítí slunce, i tehdy se bude vyrábět elektřina. Moderní solární panely, jako jsou bifaciální panely EcoFlow, mohou vyrábět elektřinu i za zhoršených světelných podmínek.
Jednoduché a přehledné nastavení
Zatímco systémy na výrobu solární energie v minulosti vyžadovaly specializovanou údržbu, mnohé z dnešních modelů jsou tak jednoduché a přímočaré, jak je to jen možné. Navíc jsou také přenosné. Technologická řešení, jako je řada stanic EcoFlow RIVER, se prodávají s přenosnými, skládacími solárními panely. Jsou perfektní pro výlety do přírody, outdoorové akce, túry a použití bez připojení k elektrické síti.
Zjistěte, jak dnes solární panely napájejí velkou část domácností a jak by mohly v budoucnu napájet prakticky vše.
30. května 2023, úterý 23:09
Fantoci [ ] pro sekci Blogy
Obnovitelné zdroje energie, včetně solární, větrné a vodní energie, vyprodukovaly v roce 2022 29 % veškeré elektřiny na celém světě, uvádí Mezinárodní agentura pro obnovitelnou energii. Jak ale solární panely vyrábějí elektřinu ze světla? Mohou se skutečně stát plnohodnotnou náhradou fosilních paliv? V tomto článku se podíváme na to, jak solární energie funguje a co umí a co ne.
reklama
Jak solární panely vyrábějí elektřinu?
Vědci odhadují, že zemský povrch dostává za optimálních podmínek asi kilowatt sluneční energie na metr čtvereční, což znamená „na rovníku, v poledne slunce“. Nejlepší solární panely dokážou vymáčknout téměř polovinu této světelné energie jako elektřinu.
To se děje následovně: foton ze slunce narazí na fotoaktivní vrstvu solárního panelu, který vyrazí elektron ze vzdálené strany panelu. To je možné, protože solární panely využívají k přeměně světla na elektřinu polovodiče.
reklama
Křemík má stejně jako uhlík zpola vyplněný vnější valenční obal. Monokrystalické solární panely využívají vrstvy křemíku dopované různými typy atomů, jako je bor a fosfor, které mají opačný náboj (např. +1/-1). Dopování tímto způsobem převádí obyčejnou křemíkovou krystalovou mřížku na polovodiče typu n a typu p. Polovodiče typu N mají pohyblivé elektrony; Polovodiče typu p mají pohyblivé „otvory“. Tím se celý systém změní na elektrický turniket, který nutí elektrony proudit pouze jedním směrem.
Mechanismus, kterým fotovoltaický panel přeměňuje světlo na elektřinu.
Když sluneční světlo dopadne na nejvzdálenější vrstvu, atomy absorbují dostatek energie k překlenutí „band gapu“. Poté, aby se systém vrátil do stabilní konfigurace, ztrácí energii ve formě elektronu. Vrstva typu n už má elektrony „navíc“, takže nemá tendenci si je brát zpět. Místo toho přes elektrodu prochází další náboj.
Výsledkem je elektřina ve formě stejnosměrného proudu. Aby byl stejnosměrný proud užitečný pro zařízení na střídavý proud, musí střídačem procházet.
reklama
Existuje několik hlavních typů solárních panelů. Snad nejznámějšími solárními články jsou články vyrobené z křemíku v alotropních formách, od amorfního křemíku po tuhou krystalovou mřížku. Existují však také barevné solární články, tenkovrstvé solární články a solární panely vyrobené z jiného typu krystalu nazývaného perovskity. Tyto technologie využívají polovodičové materiály k výrobě fotovoltaické energie – elektřiny vyrobené přímo ze slunečního světla.
Krystalický křemík
Většina off-grid solárních panelů, včetně klasických 200W solárních panelů, je vyrobena z krystalického křemíku. Skromná zařízení, jako jsou solární pásová světla a solární kalkulačky, také často používají solární články z krystalického křemíku. Tento typ solárních článků dokáže generovat solární energii s účinností 15-20%, což znamená, že vyrábí 15-20% energie přijaté ze slunce.
Solární střechy Tesla využívají krystalické křemíkové články.
reklama
Krystalický křemík je často materiálem volby pro solární články kvůli jeho odolnosti. Okna vesmírných lodí byla vyrobena z čistého taveného krystalického křemíku. Stejně tak panely z krystalického křemíku snesou domácí mazlíčky a povětrnostní podmínky než některé tenkovrstvé solární články.
Novější rezidenční solární technologie, jako jsou solární panely a solární střechy Tesla, solární šindele Timberline od GAF, šindele a dlaždice CertainTeed Apollo II a solární šindele Luma Solar, využívají krystalický křemík. Někteří výrobci pokrývají své panely vrstvou tvrzeného skla, aby se zabránilo poškození krupobitím.
Tenkovrstvé solární články
Tenkovrstvé solární články jsou to, co získáte, když místo tuhého krystalového plátku impregnovaného dopovacími přísadami nanesete fotoaktivní polovodičové molekuly na kousek krystalu nebo pásek pružného polymeru.
Mnoho tenkovrstvých článků používá amorfní křemík, který dokáže absorbovat energii z ultrafialového, viditelného a infračerveného světla. Jiní používají polykrystalický křemík nanesený jako tenký film na skle, aby se snížil odraz a lépe zadržovalo světlo.
Vědci z Sandia National Laboratories vyvinuli malé fotovoltaické články o velikosti třpytek, které jsou pouze 14-20 mikrometrů tlusté (lidský vlas je tlustý asi 70 mikrometrů), ale pracují s přibližně stejnou účinností jako solární zařízení, která používají 100krát více křemíku.
Tenkovrstvé články využívají méně materiálu než monokrystalické panely, takže mohou mít během svého životního cyklu nižší dopad na životní prostředí. Některé tenkovrstvé systémy mohou dosáhnout 47% účinnosti použitím více typů fotoreaktivních materiálů, trochu jako rostliny používají různé fotopigmenty k zachycení různých vlnových délek světla. Stejně jako u perovskitů však jejich elektrický výkon klesá během prvních měsíců jejich užitečného používání.
Co je perovskit?
Perovskity jsou minerály se zvláštní krystalickou strukturou. Zatímco krystalické křemíkové články používají ionty dopantů k usnadnění přenosu elektronů mezi vrstvami kladného a záporného náboje, v krystalové mřížce perovskitu se střídají anionty a kationty. To znamená, že mohou sloužit jako polovodičové solární články.
Perovskitové solární články vzbudily v poslední době určité vzrušení, protože jsou levné a snadno se vyrábějí. Tento typ buněk může být užitečný v externě napájených vestavěných systémech. Existuje mnoho různých chemických látek perovskitu, z nichž mnohé jsou popsány zde:
Účinnost mnoha typů solárních článků
Perovskity a další zajímavé typy solárních článků jsou zobrazeny červeně.
Ve srovnání s monokrystalickými křemíkovými solárními články mohou některé perovskitové články generovat více elektřiny ze stejného množství sluneční energie. Perovskity jsou však méně odolné; Protože jejich chemické složení je nestabilní, dochází během prvních několika let provozu k charakteristickému poklesu výroby energie. Nejoblíbenější perovskiti také často používají olovo, a jak víme, těžba a zpracování olova představuje svá vlastní nebezpečí. Používá se také cín, ale ten je méně účinný.
Fotoreaktivní pigmenty: „umělá fotosyntéza“
Další zajímavou technologií solární energie jsou solární články citlivé na barvivo. Tyto flexibilní články využívají jako vrchní vrstvu fotoreaktivní barvivo smíchané s polovodičovými nanočásticemi. Obvykle tato směs plave na kapalném elektrolytu, který současně působí jako vrstva typu p na krystalovém článku a jeho vlastní elektrodě.
Stejně jako perovskity provádějí tyto flexibilní buňky své reakce spíše v celém objemu než podél roviny. To vedlo některé odborníky k tomu, aby nazývali buňky barviva „umělá fotosyntéza“. Ale perovskity jsou krystaly a stejný tekutý elektrolyt, díky kterému jsou solární články s barvivem tak flexibilní, je také činí zranitelnými vůči chemické degradaci a teplotním extrémům.
Rozvoj solární energie
V současnosti existují dva hlavní způsoby, jak využít solární energii k výrobě elektřiny v měřítku vhodném pro veřejné služby. Pravděpodobně jste viděli standardní solární farmu. Tato zařízení poskytují energii instalací řad solárních panelů na pozemky, které jsou obvykle nevhodné pro jiné účely – i když vědci v poslední době zkoumají způsoby, jak využít zastíněnou zemi pod panely k různým účelům, například k ukládání energie ve formě baterií. Jeden zajímavý návrh zahrnuje pěstování nízko rostoucích rostlin milujících stín, jako je káva a kakao.
Solární panely v obyčejném poli s květinami.
Jednoduše řečeno, solární energie funguje pouze tehdy, když je sluneční světlo. To znamená, že energetické banky a diverzifikovaná výroba energie jsou velmi důležité součásti produkce solární energie v užitkovém měřítku: je důležité ukládat veškerou energii navíc, kterou lze použít, když slunce nesvítí. Tesla kromě svých solárních panelů a solárních šindelů nabízí záložní baterii s názvem Megapack. Pole desítek nebo stovek takových baterií jsou již v provozu, což usnadňuje využití solární energie a dalších obnovitelných zdrojů energie.
Dalším způsobem, jak zvýšit využití solární energie, jsou koncentrační solární elektrárny, jako je Ivanpah v Kalifornii. Místo výroby energie fotovoltaickým efektem tyto systémy využívají zrcadla nebo čočky ke koncentraci sluneční energie do (relativně) zaostřeného paprsku namířeného na centrální prefabrikovanou věž. Sluneční energie tam pohání tepelný stroj nebo parní turbínu, která přeměňuje teplo na elektřinu.
Koncentrační solární tepelná elektrárna v Jiquan, Čína.
Nyní mnoho zemí zvyšuje výrobu solárních panelů a bez ohledu na to, jak se kvůli geopolitické situaci chováme ke Spojeným státům, tento proces probíhá nejrychleji tam. Je známo, že od června 2021 do června 2022 bylo ve Spojených státech připojeno 17,6 GW nové solární kapacity v užitkovém měřítku. Tím se celková solární kapacita v USA pohybuje kolem 66 GW. V loňském roce mezi elektrárnami a distribuovanými solárními instalacemi poskytla solární energie 12 % americké elektřiny. Přestože jde jen o malou část celkové výroby elektřiny v této zemi, každým rokem přibývají nové kapacity. Protože obnovitelné zdroje energie nahrazují staré neobnovitelné elektrárny, solární energie si své místo na slunci jistě najde.