El principio de funcionamiento de una batería solar: cómo funciona y funciona un panel solar
Convertir eficazmente los rayos libres del sol en energía que pueda utilizarse para alimentar hogares y otras instalaciones es el sueño más preciado de muchos defensores de la energía verde.
Pero el principio de funcionamiento de una batería solar y su eficiencia son tales que todavía no es necesario hablar de la alta eficiencia de tales sistemas. Sería bueno tener tu propia fuente adicional de electricidad. ¿No es? Además, hoy en día en Rusia, con la ayuda de paneles solares, un número considerable de hogares privados reciben electricidad "gratuita". ¿Aún no sabes por dónde empezar?
A continuación te contamos sobre el diseño y principios de funcionamiento de un panel solar, aprenderás de qué depende la eficiencia de un sistema solar. Y los videos publicados en el artículo lo ayudarán a ensamblar un panel solar a partir de fotocélulas con sus propias manos.
El contenido del artículo:
Paneles solares: terminología
Hay muchos matices y confusión en el tema de la “energía solar”. A menudo, a los principiantes les resulta difícil comprender al principio todos los términos desconocidos. Pero sin esto, no es razonable dedicarse a la energía solar, comprando equipos para generar corriente "solar".
Sin saberlo, no sólo puede elegir el panel equivocado, sino también simplemente quemarlo al conectarlo o extraerle muy poca energía.
En primer lugar, conviene comprender los tipos existentes de equipos para energía solar. Los paneles solares y los colectores solares son dos dispositivos fundamentalmente diferentes. Ambos convierten la energía de los rayos del sol.
Sin embargo, en el primer caso, el consumidor recibe energía eléctrica a la salida, y en el segundo, energía térmica en forma de refrigerante calentado, es decir, Los paneles solares se utilizan para calefacción del hogar.
El segundo matiz es el concepto del término "batería solar". Normalmente, la palabra "batería" se refiere a algún tipo de dispositivo de almacenamiento eléctrico. O me viene a la mente un radiador de calefacción banal. Sin embargo, en el caso de las baterías solares la situación es radicalmente diferente. No acumulan nada en sí mismos.
Los paneles solares están diseñados únicamente para generar corriente eléctrica. Ésta, a su vez, se acumula para suministrar electricidad a la casa por la noche, cuando el sol se esconde en el horizonte, ya en las baterías que también se encuentran en el circuito de suministro de energía de la instalación.
La batería aquí se entiende en el contexto de un determinado conjunto de componentes similares ensamblados en un solo todo. De hecho, es sólo un panel de varias fotocélulas idénticas.
Estructura interna de una batería solar.
Poco a poco, los paneles solares son cada vez más baratos y eficientes.Ahora se utilizan para recargar baterías en farolas, teléfonos inteligentes, coches eléctricos, casas particulares y satélites en el espacio. Incluso comenzaron a construir plantas de energía solar (SPP) completas con grandes volúmenes de generación.
Cada batería solar está diseñada como un bloque de un determinado número de módulos, que combinan fotocélulas semiconductoras conectadas en serie. Para comprender los principios de funcionamiento de dicha batería, es necesario comprender el funcionamiento de este eslabón final en el dispositivo de panel solar, creado a base de semiconductores.
Tipos de cristales de fotocélulas.
Existe una gran cantidad de opciones de FEP elaboradas a partir de diferentes elementos químicos. Sin embargo, la mayoría de ellos son desarrollos en las etapas iniciales. Hasta el momento, sólo se producen a escala industrial paneles fabricados a partir de células fotovoltaicas basadas en silicio.
Una fotocélula típica de un panel solar es una fina oblea formada por dos capas de silicio, cada una de las cuales tiene sus propias propiedades físicas. Esta es una unión p-n semiconductora clásica con pares electrón-hueco.
Cuando los fotones golpean la célula fotovoltaica entre estas capas semiconductoras, debido a la falta de homogeneidad del cristal, se forma una foto-EMF de puerta, lo que da como resultado una diferencia de potencial y una corriente de electrones.
Las obleas de silicio de las células solares se diferencian en la tecnología de fabricación en:
- Monocristalino.
- Policristalino.
Los primeros tienen una mayor eficiencia, pero el costo de su producción es mayor que el de los segundos. Externamente, una opción de panel solar se puede distinguir de otra por su forma.
Las células solares monocristalinas tienen una estructura homogénea, están hechas en forma de cuadrados con esquinas recortadas. Por el contrario, los elementos policristalinos tienen una forma estrictamente cuadrada.
Los policristales se obtienen por enfriamiento gradual del silicio fundido. Este método es extremadamente sencillo, por lo que estas fotocélulas son económicas.
Pero su productividad en términos de generación de electricidad a partir de rayos solares rara vez supera el 15%. Esto se debe a la "impureza" de las obleas de silicio resultantes y a su estructura interna. En este caso, cuanto más pura sea la capa de p-silicio, mayor será la eficiencia de la célula solar formada por ella.
La pureza de los monocristales a este respecto es mucho mayor que la de los análogos policristalinos. No están hechos de cristal de silicio sólido fundido, sino cultivado artificialmente. El coeficiente de conversión fotoeléctrica de estas células solares alcanza ya el 20-22%.
La capa superior de la placa de la fotocélula que mira hacia el sol está hecha del mismo silicio, pero con la adición de fósforo. Es este último el que será la fuente del exceso de electrones en el sistema de unión pn.
Un verdadero avance en el campo de la energía solar fue el desarrollo de paneles flexibles con silicio fotovoltaico amorfo:
Principio de funcionamiento del panel solar.
Cuando la luz del sol incide sobre una fotocélula, en ella se generan pares de huecos de electrones en desequilibrio. El exceso de electrones y huecos se transfiere parcialmente a través de la unión pn de una capa del semiconductor a otra.
Como resultado, aparece voltaje en el circuito externo. En este caso, se forma un polo positivo de la fuente de corriente en el contacto de la capa p y un polo negativo en la capa n.
Las fotocélulas conectadas a una carga externa en forma de batería forman con ella un círculo vicioso. Como resultado, el panel solar funciona como una especie de rueda por la que los electrones "corren" juntos entre las proteínas. Y la batería se carga gradualmente.
Los convertidores fotovoltaicos de silicio estándar son células de unión simple.El flujo de electrones hacia ellos ocurre solo a través de una unión p-n con una zona de esta transición limitada en energía fotónica.
Es decir, cada una de estas fotocélulas es capaz de generar electricidad sólo a partir de un espectro estrecho de radiación solar. El resto de la energía se desperdicia. Por eso la eficiencia del FEP es tan baja.
Para aumentar la eficiencia de las células solares, recientemente se han comenzado a fabricar elementos semiconductores de silicio para ellas con unión múltiple (cascada). Ya hay varias transiciones en las nuevas células solares. Además, cada uno de ellos en esta cascada está diseñado para su propio espectro de luz solar.
En última instancia, aumenta la eficiencia total de convertir fotones en corriente eléctrica para tales fotocélulas. Pero su precio es mucho mayor. En este caso, se trata de facilidad de fabricación con bajo costo y baja eficiencia, o mayores rendimientos junto con un alto costo.
Durante el funcionamiento, la fotocélula y toda la batería se calientan gradualmente. Toda la energía que no se utilizó para generar corriente eléctrica se transforma en calor. A menudo, la temperatura en la superficie del panel solar aumenta hasta 50-55 °C. Pero cuanto más alto es, menos eficientemente funciona la célula fotovoltaica.
Como resultado, el mismo modelo de batería solar genera menos corriente en climas cálidos que en climas fríos. Las fotocélulas muestran la máxima eficiencia en un día claro de invierno. Aquí entran en juego dos factores: mucho sol y refrigeración natural.
Además, si cae nieve sobre el panel, seguirá generando electricidad.Además, los copos de nieve ni siquiera tendrán tiempo de reposar mucho sobre él, ya que se derretirán por el calor de las fotocélulas calentadas.
Eficiencia de la batería solar
Una fotocélula, incluso al mediodía cuando hace buen tiempo, produce muy poca electricidad, sólo la suficiente para hacer funcionar una linterna LED.
Para aumentar la potencia de salida, se combinan varias células solares en un circuito en paralelo para aumentar el voltaje CC y en un circuito en serie para aumentar la corriente.
La eficiencia de los paneles solares depende de:
- temperatura del aire y de la propia batería;
- selección correcta de resistencia de carga;
- ángulo de incidencia de la luz solar;
- presencia/ausencia de revestimiento antirreflectante;
- potencia del flujo luminoso.
Cuanto más baja es la temperatura exterior, más eficientes funcionan las fotocélulas y la batería solar en su conjunto. Aquí todo es sencillo. Pero con el cálculo de la carga la situación es más complicada. Se debe seleccionar en función de la corriente suministrada por el panel. Pero su valor varía según los factores climáticos.
Monitorear constantemente los parámetros de una batería solar y ajustar manualmente su funcionamiento es problemático. Para esto es mejor usar controlador de control, que ajusta automáticamente la configuración del panel solar para lograr el máximo rendimiento y modos de funcionamiento óptimos del mismo.
El ángulo ideal de incidencia de los rayos del sol sobre una batería solar es recto. Sin embargo, si la desviación está dentro de los 30 grados de la perpendicular, la eficiencia del panel cae sólo alrededor del 5%.Pero si se aumenta aún más este ángulo, se reflejará una proporción cada vez mayor de radiación solar, lo que reducirá la eficiencia de la célula solar.
Si se requiere que la batería produzca el máximo de energía en verano, entonces debe orientarse perpendicular a la posición promedio del Sol, que ocupa en los equinoccios de primavera y otoño.
Para la región de Moscú, esto es aproximadamente entre 40 y 45 grados con respecto al horizonte. Si se necesita el máximo en invierno, entonces el panel debe colocarse en una posición más vertical.
Y una cosa más: el polvo y la suciedad reducen en gran medida el rendimiento de las fotocélulas. Los fotones simplemente no llegan a ellos a través de una barrera tan "sucia", lo que significa que no hay nada que convertir en electricidad. Los paneles deben lavarse periódicamente o colocarse de modo que la lluvia elimine el polvo por sí solos.
Algunos paneles solares tienen lentes incorporadas para concentrar la radiación en la célula solar. Cuando hace buen tiempo, esto conduce a una mayor eficiencia. Sin embargo, en caso de nubes densas, estas lentes sólo causan daño.
Si un panel convencional en tal situación continúa generando corriente, aunque en volúmenes más pequeños, entonces el modelo de lente dejará de funcionar casi por completo.
Lo ideal es que el sol ilumine uniformemente una batería de fotocélulas. Si una de sus secciones se oscurece, las células solares apagadas se convierten en una carga parásita. En tal situación no sólo no generan energía, sino que además la quitan de los elementos de trabajo.
Los paneles deben instalarse de manera que no haya árboles, edificios u otros obstáculos en el camino de los rayos del sol.
Diagrama de suministro de energía solar de la casa.
El sistema de suministro de energía solar incluye:
- Paneles solares.
- Controlador.
- Baterías.
- Inversor (transformador).
El controlador de este circuito protege tanto los paneles solares como las baterías. Por un lado, evita el flujo de corriente inversa durante la noche y en tiempo nublado y, por otro, protege las baterías de una carga/descarga excesiva.
Para transformar corriente continua de 12, 24 o 48 voltios en corriente alterna de 220 voltios necesitas inversor. No se recomienda el uso de baterías de automóvil en dicho circuito debido a su incapacidad para soportar recargas frecuentes. Es mejor gastar dinero y comprar baterías especiales de helio AGM o OPzS inundadas.
Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.
Principios de funcionamiento y diagramas de conexion de paneles solares No es demasiado difícil de entender. Y con los materiales de vídeo que hemos recopilado a continuación, será aún más fácil comprender todas las complejidades del funcionamiento y la instalación de paneles solares.
Es accesible y comprensible cómo funciona una batería solar fotovoltaica, en todos sus detalles:
Mira cómo funcionan los paneles solares en el siguiente vídeo:
Montaje de paneles solares de bricolaje a partir de fotocélulas:
Cada elemento en sistema de energía solar La cabaña debe elegirse correctamente. Se producen pérdidas de energía inevitables en las baterías, los transformadores y el controlador. Y hay que reducirlos al mínimo, de lo contrario la ya bastante baja eficiencia de los paneles solares se reducirá a cero.
¿Tuviste alguna pregunta mientras estudiabas el material? ¿O conoce información valiosa sobre el tema del artículo y puede compartirla con nuestros lectores? Por favor deje sus comentarios en el bloque a continuación.
Estoy barajando la idea de equipar mi casa con paneles solares. La perspectiva de la independencia energética es tentadora. Leí muchos materiales sobre este tema. Hay muchos pros y muchos contras. Hay que sopesarlo todo, porque el placer es bastante caro. Este artículo tampoco añadió confianza. ¿Cómo configurar correctamente el panel para sacarle el máximo partido tanto en verano como en invierno? ¿Qué pasa con el cuidado? ¿Tendrá que subir periódicamente al tejado para limpiar el polvo de las células solares? Subir al tejado no es tarea fácil. Y más aún con la edad. Es necesario tener todo en cuenta para garantizar un funcionamiento cómodo. Es bueno que aquí se expliquen diferentes matices.
Vladimir, instala paneles solares y no lo dudes. Si dispone de unos 20 mil dólares para comprar paneles solares, entonces debería firmar un acuerdo para su instalación y mantenimiento. Los profesionales instalarán esta batería en el ángulo correcto. Y no es necesario que usted mismo suba al techo. Los jóvenes con una Karcher vendrán a lavar y apretar lo que sea necesario. Creo que las plantas de energía solar son el futuro.
¿¡20 mil dólares para instalar paneles!? No se justificarán en la vida. Además de un controlador, baterías, convertidor de voltaje. ¿Cuántos de ellos volarán durante el tiempo que gastes 20 mil dólares en electricidad? Así que considere si es rentable hoy o no.
En mi casa de campo instalé dos paneles de 200 W y dos baterías de 120 A. Además de un convertidor de voltaje de 5 kW (cargas máximas de 8 kW) y un controlador. Todo cuesta unos 1000 euros. Hay suficiente calor para regar incluso a 35-40°. Pero no más. Cuando construya una casa sumaré la cantidad de paneles, baterías y un controlador. Instale un molino de viento para el invierno.No tengo otra elección. La parcela de dacha no está conectada a la red eléctrica. Una conexión costará 1600 euros. Además, la electricidad en las casas de verano es cara. Dentro de 30 centavos por 1 kW.
Entiendo su indignación, ya que el precio de 20 mil dólares es realmente mucho, incluso teniendo en cuenta los trabajos de instalación y puesta en servicio. Para la mayoría de nuestros lectores, se trata de una cantidad exorbitante. Pero la opción que implementó, más la posterior modernización y el aumento del número de paneles solares con posterior productividad, es la solución óptima.
En cuanto al molino de viento en invierno, estoy de acuerdo contigo, porque la productividad de los paneles solares en el período de noviembre a enero cae a niveles mínimos en nuestras latitudes. Además, en otoño e invierno, los paneles deben limpiarse constantemente de suciedad, hojas y nieve. Por tanto, una turbina eólica será una excelente fuente adicional de energía alternativa en esta época del año. Por cierto, varias opciones ya se han discutido más de una vez en el foro y en artículos.
¿Por qué borraste mi comentario? Realmente me duelen los ojos. Escribieron aquí que con $20,000 adicionales puedes instalar los paneles. Parece que en Rusia los paneles son para millonarios y no para la gente. En Europa todo ha sido durante mucho tiempo para el pueblo. He vivido en Irlanda durante 16 años y preguntaba por el precio de una casa particular. Así, el Estado también cubre el 30% del coste. El precio varía de 3000 a 7000 euros. Pero si ya lo pones en 6,7 mil euros menos el 30% de la cobertura estatal
¡Detener! ¿Por qué es necesario instalar paneles solares en el tejado? Si tiene un área grande en su jardín, puede implementar fácilmente la colocación de elementos en el suelo. En este caso, mantener limpios los paneles solares será mucho más sencillo, sobre todo en invierno.
El marco para la colocación de paneles solares puede ser de metal o de madera. Pero recomendaría la primera opción, ya que es más fiable y duradera.
¿Por qué tienes precios de 20 mil? Allí te están estafando como a un tilo. En Irlanda, una casa privada cuesta oficialmente entre 6.000 y 7.000 euros, además el Estado cubre el 30% del coste. podría ponerlo
... En la columna “Eficacia…” un error tipográfico grave por parte de un profano: cuando se conectan en serie, las células fotovoltaicas aumentan el VOLTAJE total de la instalación, y cuando se conectan en paralelo, la CORRIENTE aumenta. Sucede... ¡Aunque dudo del conocimiento de la física de los gerentes y empleados modernos!