Principio di funzionamento della batteria solare: struttura e funzionamento del pannello solare

La conversione efficiente della luce solare gratuita in energia utilizzabile per l'elettricità di abitazioni e altre strutture è il sogno ambito di molti fautori dell'energia verde.

Ma il principio di funzionamento delle batterie solari e il loro rendimento sono tali che non si può ancora parlare di alta efficienza di questi sistemi. Sarebbe bello dotarsi di una fonte supplementare di elettricità propria, non è vero? Tanto più che già oggi, anche in Russia, un gran numero di abitazioni private viene rifornito con successo di energia 'gratuita' grazie ai pannelli solari. Lei non sa ancora da dove iniziare?

Di seguito Le spiegheremo la struttura e il principio di funzionamento dei pannelli solari; scoprirà da cosa dipende l'efficienza del sistema solare. I video presenti nell'articolo La aiuteranno a montare personalmente un pannello solare con celle fotovoltaiche.

Pannelli solari: terminologia

Nel campo dell'energia solare ci sono molte sfumature e confusione. Spesso per i principianti è difficile orientarsi all'inizio tra tutti i termini sconosciuti. Ma senza una conoscenza di base, dedicarsi all'energia solare acquistando un impianto per la produzione di corrente 'solare' non è saggio.

Per ignoranza si può non solo scegliere un pannello inadatto, ma anche semplicemente bruciarlo durante il collegamento, oppure estrarne una quantità troppo esigua di energia.

Innanzitutto bisogna comprendere le varie tipologie di apparecchiature per l'energia solare. I pannelli solari e i collettori solari sono due dispositivi sostanzialmente diversi. Entrambi convertono l'energia dei raggi del sole.

Tuttavia, nel primo caso l'utente riceve energia elettrica in uscita, mentre nel secondo riceve energia termica sotto forma di fluido riscaldato, cioè i pannelli solari vengono utilizzati per il riscaldamento domestico.

Si potrà ottenere il massimo rendimento da un pannello solare solo conoscendo come funziona, di quali componenti e parti è composto e come si collega tutto correttamente.

Il secondo aspetto è il concetto stesso del termine «pannello solare». Di solito, con la parola «batteria» si intende un dispositivo che accumula energia elettrica. Oppure viene in mente un banale radiatore di riscaldamento. Tuttavia, nel caso dei pannelli solari la situazione è radicalmente diversa. Essi non accumulano nulla al loro interno.

Il pannello solare genera corrente elettrica continua. Per convertirla in corrente alternata (utilizzata in ambito domestico), nello schema deve essere presente un inverter.

I pannelli solari sono progettati esclusivamente per la generazione di corrente elettrica. Questa, a sua volta, viene accumulata per fornire elettricità alla casa durante la notte, quando il sole tramonta, nelle batterie già presenti aggiuntivamente nello schema di alimentazione energetica dell'edificio.

Qui 'batteria' è intesa nel contesto di un insieme di componenti dello stesso tipo, riuniti in un unico insieme. In realtà si tratta semplicemente di un pannello composto da diverse celle fotovoltaiche identiche.

Struttura interna di un pannello solare

Gradualmente i pannelli solari diventano sempre più economici ed efficienti. Attualmente vengono utilizzati per ricaricare batterie in lampioni stradali, smartphone, auto elettriche, case private e su satelliti nello spazio. Si è persino iniziato a costruire vere e proprie centrali solari (CSE) con grandi volumi di generazione.

Il pannello solare è composto da numerose celle fotovoltaiche (convertitori fotovoltaici, CFV), che convertono l'energia dei fotoni solari in energia elettrica.

Ogni pannello solare è strutturato come un blocco composto da un certo numero di moduli, che a loro volta integrano celle fotovoltaiche a semiconduttore collegate in serie. Per comprendere il principio di funzionamento di tale pannello, è necessario analizzare il funzionamento di questo elemento finale del dispositivo del pannello solare, realizzato a base di semiconduttori.

Tipi di cristalli per celle fotovoltaiche

Esiste un'enorme varietà di celle fotovoltaiche realizzate con diversi elementi chimici. Tuttavia, la maggior parte di esse si trova ancora in fase di sviluppo iniziale. Attualmente, solo i pannelli con celle fotovoltaiche al silicio vengono prodotti su scala industriale.

I semiconduttori al silicio vengono utilizzati nella produzione di pannelli solari per via del loro basso costo, ma non possono vantare un'efficienza particolarmente elevata.

Una cella fotovoltaica tipica in un pannello solare è una sottile lastra composta da due strati di silicio, ciascuno con le proprie proprietà fisiche. Si tratta di una classica giunzione p-n a semiconduttore con coppie elettrone-lacuna.

Quando i fotoni colpiscono la cella fotovoltaica, a causa della disomogeneità del cristallo, si genera una foto-EMF di giunzione tra gli strati semiconduttori, con conseguente differenza di potenziale e flusso di elettroni.

Le lastre di silicio delle celle fotovoltaiche si differenziano per tecnologia di produzione in:

1. Monocristalline.
2. Policristalline.

Le prime hanno un'efficienza maggiore, ma anche il costo di produzione è più elevato rispetto alle seconde. Visivamente, le due varianti su un pannello solare si distinguono per la forma.

Le celle fotovoltaiche monocristalline hanno una struttura omogenea e sono realizzate a forma di quadrati con angoli smussati. A differenza di queste, le celle policristalline hanno una forma rigorosamente quadrata.

I policristalli si ottengono raffreddando gradualmente il silicio fuso. Questo metodo è estremamente semplice, quindi queste celle fotovoltaiche hanno un costo contenuto.

Tuttavia, la loro efficienza nella produzione di energia elettrica dai raggi solari supera raramente il 15%. Ciò è dovuto all'impurità delle piastrine di silicio ottenute e alla loro struttura interna. In questo caso, quanto più puro è lo strato p del silicio, tanto maggiore è il rendimento della cella fotovoltaica che ne deriva.

La purezza dei monocristalli in questo senso è molto superiore a quella degli analoghi policristallini. Vengono realizzati non da silicio fuso, ma da un singolo cristallo di silicio coltivato artificialmente. Il coefficiente di conversione fotovoltaica di tali celle raggiunge già il 20-22%.

I singoli elementi fotovoltaici vengono assemblati in un modulo comune su un telaio in alluminio e, per proteggerli, vengono coperti superiormente con un vetro resistente che non ostacola affatto i raggi solari.

Lo strato superiore della piastrina fotovoltaica rivolto al sole è realizzato con lo stesso silicio, ma con l'aggiunta di fosforo. È proprio quest'ultimo a essere la fonte di elettroni in eccesso nel sistema di giunzione p-n.

Una vera svolta nel campo dell'utilizzo dell'energia solare è stato lo sviluppo di pannelli flessibili con silicio fotovoltaico amorfo:

Principio di funzionamento del pannello solare

Quando i raggi solari colpiscono la cella fotovoltaica, in essa vengono generate coppie elettrone-lacuna non in equilibrio. Gli elettroni in eccesso e le 'lacune' vengono parzialmente trasportati attraverso la giunzione p-n da uno strato di semiconduttore all'altro.

Di conseguenza, nel circuito esterno appare una tensione. Sul contatto dello strato p si forma il polo positivo della sorgente di corrente, mentre su quello dello strato n si forma il polo negativo.

La differenza di potenziale (tensione) tra i contatti della cella fotovoltaica appare a causa della variazione del numero di 'lacune' e elettroni sui diversi lati della giunzione p-n a seguito dell'irradiazione dello strato n con i raggi solari.

Le celle fotovoltaiche collegate a un carico esterno sotto forma di batteria formano con essa un circuito chiuso. Di conseguenza, il pannello solare funziona come una sorta di ruota su cui elettroni e lacune corrono insieme. E la batteria ricaricabile gradualmente accumula carica.

I convertitori fotovoltaici standard al silicio sono elementi a singola giunzione. Il flusso di elettroni in essi avviene solo attraverso una giunzione p-n con una zona di questa giunzione limitata in termini di energia dei fotoni.

Cioè, ciascuna di queste celle fotovoltaiche è in grado di generare elettricità solo da uno stretto spettro della radiazione solare. Tutta l'energia rimanente viene sprecata. È per questo che l'efficienza delle celle fotovoltaiche è così bassa.

Per aumentare l'efficienza dei pannelli solari, gli elementi semiconduttori al silicio per essi sono recentemente diventati multigiunzione (a cascata). I nuovi FEP (celle fotovoltaiche) hanno già diverse giunzioni. Inoltre, ciascuno di essi in questa cascata è progettato per il proprio spettro di raggi solari.

L'efficienza totale di conversione dei fotoni in corrente elettrica in tali celle fotovoltaiche alla fine aumenta. Ma anche il loro prezzo è significativamente più alto. Qui o si ha semplicità di produzione con basso costo e bassa efficienza, oppure una maggiore resa insieme a un costo elevato.

Il pannello solare può funzionare sia in estate che in inverno (ha bisogno di luce, non di calore) – minore è la nuvolosità e più luminoso è il sole, maggiore sarà la corrente elettrica generata dal pannello solare.

Durante il funzionamento, la cella fotovoltaica e l'intero pannello si riscaldano gradualmente. Tutta l'energia che non è stata utilizzata per generare corrente elettrica si trasforma in calore. Spesso la temperatura sulla superficie del pannello solare sale fino a 50-55 °C. Ma più è alta, meno efficiente è il funzionamento dell'elemento fotovoltaico.

Di conseguenza, lo stesso modello di pannello solare genera meno corrente con il caldo che con il gelo. Le celle fotovoltaiche mostrano la massima efficienza in una chiara giornata invernale. Qui giocano due fattori: molto sole e raffreddamento naturale.

Inoltre, se la neve cade sul pannello, esso continuerà comunque a generare elettricità. Inoltre, i fiocchi di neve non avranno nemmeno il tempo di rimanere a lungo, sciogliendosi per il calore delle celle fotovoltaiche riscaldate.

Efficienza delle batterie del sistema solare

Una singola cella fotovoltaica, anche a mezzogiorno con tempo sereno, produce pochissima elettricità, appena sufficiente per far funzionare una lampada LED.

Per aumentare la potenza di uscita, diverse celle fotovoltaiche vengono combinate in parallelo per aumentare la tensione continua e in serie per aumentare la corrente.

L'efficienza dei pannelli solari dipende da:

• dalla temperatura dell'aria e del pannello stesso;
• dalla corretta scelta della resistenza di carico;
• dall'angolo di incidenza dei raggi solari;
• dalla presenza/assenza di un rivestimento antiriflesso;
• potenza del flusso luminoso.

Più bassa è la temperatura esterna, più efficientemente lavorano i fotoelementi e il pannello solare nel suo complesso. Qui tutto è semplice. Per quanto riguarda il calcolo del carico, la situazione è più complessa. Esso va scelto in base alla corrente erogata dal pannello. Ma il suo valore varia in base ai fattori meteorologici.

I pannelli solari sono prodotti con una tensione di uscita multipla di 12 V – se sulla batteria è necessario applicare 24 V, allora due pannelli dovranno essere collegati in parallelo.

Monitorare costantemente i parametri del pannello solare e correggere manualmente il suo funzionamento è problematico. Per questo, è meglio utilizzare un controllore di gestione, che in modalità automatica regola da sé le impostazioni del pannello solare per ottenere da esso la massima produttività e le condizioni operative ottimali.

L'angolo ideale di incidenza dei raggi solari sul pannello solare è retto. Tuttavia, con una deviazione entro i 30 gradi dalla perpendicolare, l'efficienza del pannello diminuisce solo di circa il 5%. Ma con un ulteriore aumento di questo angolo, una quota sempre maggiore della radiazione solare verrà riflessa, riducendo così il rendimento dei fotoelementi.

Se si richiede che il pannello solare fornisca la massima energia in estate, allora deve essere orientato perpendicolarmente alla posizione media del Sole, che occupa nei giorni degli equinozi di primavera e autunno.

Per la regione di Mosca, si tratta di circa 40–45 gradi rispetto all'orizzonte. Se il massimo è necessario in inverno, allora il pannello va posizionato in posizione più verticale.

E un altro punto: polvere e sporco riducono notevolmente le prestazioni dei fotoelementi. I fotoni semplicemente non li raggiungono attraverso un ostacolo così 'sporco', e quindi non c'è nulla da convertire in energia elettrica. I pannelli devono essere lavati regolarmente o posizionati in modo che la polvere venga rimossa dalla pioggia da sola.

Alcuni pannelli solari hanno lenti integrate per concentrare la radiazione sui fotoelementi. Con tempo sereno, ciò porta a un aumento del rendimento. Tuttavia, in caso di forte nuvolosità, queste lenti causano solo danni.

Se un pannello normale in una tale situazione continuerà a generare corrente, sebbene in quantità minori, il modello con lenti smetterà di funzionare quasi completamente.

Il sole dovrebbe idealmente illuminare uniformemente la batteria di fotoelementi. Se una delle sue aree risulta oscurata, i fotoelementi non illuminati diventano un carico parassita. Non solo non generano energia in una situazione del genere, ma la sottraggono anche agli elementi in funzione.

I pannelli vanno installati in modo che non ci siano alberi, edifici o altri ostacoli sul percorso dei raggi solari.

Schema di alimentazione solare per la casa

Il sistema di alimentazione elettrica solare include:

1. Pannelli solari.
2. Controllore.
3. Batterie.
4. Inverter (trasformatore).

Il controller in questo schema protegge sia i pannelli solari che le batterie. Da un lato, impedisce il flusso di correnti inverse durante la notte e con tempo nuvoloso; dall'altro, protegge le batterie da carica/scarica eccessiva.

Le batterie per pannelli solari dovrebbero essere selezionate con la stessa età e capacità, altrimenti la carica/scarica avverrà in modo non uniforme, portando a una drastica riduzione della loro durata.

Per trasformare la corrente continua a 12, 24 o 48 Volt in corrente alternata a 220 Volt è necessario un inverter. L'uso di batterie per auto in questo schema è sconsigliato a causa della loro incapacità di sopportare ricariche frequenti. È meglio investire e acquistare batterie speciali: AGM al gel o OPzS con elettrolita liquido.

Conclusioni e video utili sull'argomento

I principi di funzionamento e gli schemi di collegamento dei pannelli solari non sono troppo difficili da comprendere. E con i video da noi raccolti qui sotto, comprendere tutte le sottigliezze del funzionamento e dell'installazione dei pannelli solari sarà ancora più semplice.

Spiegazione chiara e comprensibile di come funziona un pannello solare fotovoltaico, in tutti i dettagli:

Come sono realizzati i pannelli solari? Guardi il seguente video:

Assemblaggio di un pannello solare da celle fotovoltaiche fai-da-te:

Ogni componente in un sistema di alimentazione solare per villetta deve essere scelto accuratamente. Le inevitabili perdite di potenza si verificano su batterie, trasformatori e controllore. E queste devono essere ridotte al minimo, altrimenti l'efficienza già piuttosto bassa dei pannelli solari sarà ridotta praticamente a zero.

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