Cómo funcionan los paneles solares y sus tipos. El principio de funcionamiento de una batería solar y su diseño.
Parece que recientemente la batería solar ha estado fuertemente asociada con naves espaciales, estaciones orbitales y vehículos lunares. Y ahora, en cualquier calculadora se puede encontrar un dispositivo capaz de extraer electricidad de la luz. Además, en países ricos en sol con veranos calurosos e inviernos suaves (los científicos los llaman “países de alta insolación”), como Italia, España, Portugal, los estados del sur de Estados Unidos, etc. La energía solar es una forma importante de ahorrar dinero en electricidad y suministro de calor. Además, este ahorro se produce tanto por iniciativa privada de los ciudadanos como en forma de regulaciones gubernamentales obligatorias, como en España.
La humanidad ha intentado durante mucho tiempo hacer que la energía del sol funcione por sí misma, por lo que, según la leyenda, Arquímedes quemó la flota romana y ordenó muchos espejos (en otra versión, escudos pulidos hasta brillar) para enfocar la luz del sol. las velas de las galeras romanas. Pero los intentos de aprovechar la energía del sol no dieron resultados visibles hasta el siglo pasado. ¿Cuáles son las formas de utilizar la energía solar?
Como conseguir electricidad
La forma más obvia es convertir la energía luminosa del sol en calor. Estrictamente hablando, esto ni siquiera puede llamarse transformación, porque la luz y el calor tienen la misma naturaleza y sólo difieren en la frecuencia; sería más correcto hablar de captación de calor; Para recolectar el calor solar, los dispositivos se llaman ("colector" significa literalmente colector). El principio de su funcionamiento es extremadamente simple: el refrigerante (agua, con menos frecuencia aire) se calienta en un radiador hecho de material absorbente de calor. Estos dispositivos se utilizan ampliamente para el suministro de agua caliente a hogares privados.
La naturaleza nos sugiere otra forma interesante de utilizar la energía de la estrella más cercana. A lo largo de millones de años de evolución, las plantas han aprendido a convertir la energía del sol en energía de enlaces químicos, sintetizando un compuesto complejo, la glucosa, a partir de sustancias simples. Cualquiera que no se saltara la botánica en la escuela, por supuesto, adivinaría que estábamos hablando de fotosíntesis. Pero no todos pensaron en la esencia energética de este proceso, que consiste precisamente en la acumulación de energía solar y su uso posterior (incluso en invierno) para fines "personales". Es decir, estamos hablando de bioenergía. El real, y no aquel del que hablan los magos locales. El método para utilizar la energía solar según este principio de funcionamiento aún está pendiente de su aplicación en la tecnología creada por el hombre.
Como se mencionó anteriormente, la forma más sencilla de utilizar la energía solar para fines personales es recolectar energía térmica. Sin embargo, "más fácil" no siempre significa "mejor". El hecho es que la energía térmica es, se podría decir, un "producto perecedero". Intente “conservar” el calor o transferirlo a largas distancias. Lo más probable es que los costos cubran todos los beneficios posibles. El tipo de energía más conveniente para la acumulación y el transporte es la electricidad. Puede montarse en baterías sin problemas o transmitirse mediante cables hasta el lugar donde funcionará, con mínimas pérdidas. Esto lleva a la tercera forma, la más común, de utilizar la luz solar: convertirla en energía eléctrica.
Cómo funciona esto
La transformación de la luz solar se produce en baterías (es decir, grupos conectados en serie) de fotocélulas, que han adquirido el nombre de "baterías solares". ¿Según qué principio funcionan los paneles solares?
El corazón de una fotocélula es un cristal de silicio. Todos los días nos encontramos con silicio (más precisamente, sus óxidos): esta es la arena familiar. Así, podemos decir que un cristal de silicio es un grano de arena gigante cultivado en un laboratorio. Los cristales tienen forma de cubo y están cortados en platino de doscientas micras de espesor (alrededor de tres a cuatro veces el espesor de un cabello humano).
Se aplica una fina capa de fósforo a una oblea de silicio por un lado y una fina capa de boro por el otro. Cuando el silicio está en contacto con el boro, aparece un exceso de electrones libres, y donde el silicio está en contacto con el fósforo, por el contrario, hay escasez de electrones, aparecen los llamados "agujeros". La unión de medios con exceso y deficiencia de electrones se denomina unión p-n en física. Los fotones de luz bombardean la superficie de la placa y eliminan el exceso de electrones de fósforo para convertir los electrones de boro faltantes. El movimiento ordenado de los electrones es la corriente eléctrica. Ya sólo queda “ensamblarlo” pasando pistas metálicas a través de la placa. Así funciona en principio una fotocélula de silicio.
La potencia de una placa de fotocélula es bastante modesta; sólo basta para hacer funcionar la bombilla de una linterna. Por lo tanto, los elementos individuales se ensamblan en sistemas de baterías. Teóricamente, es posible montar una batería de cualquier potencia a partir de elementos. La batería se coloca sobre un sustrato metálico, reforzada para aumentar su resistencia y cubierta con vidrio. Es importante que la batería solar convierta no sólo la parte visible del espectro solar en electricidad, sino también la parte ultravioleta del espectro solar, por lo que el vidrio que cubre la batería debe transmitir radiación ultravioleta.
Una ventaja importante de una batería solar es que utiliza luz, no calor, por lo que, a diferencia de un colector, una batería solar puede funcionar en invierno, siempre que las nubes no bloqueen la luz del sol.
Hay proyectos para construir enormes campos de paneles solares en el Ártico y la Antártida que almacenarán energía durante el día polar de seis meses, que ocurre en el norte en verano y en el sur en invierno, lo que significa que dos gigantescas plantas de energía solar nunca estarán disponibles. inactivo al mismo tiempo.
A menudo escribimos sobre varios tipos de energía alternativa, incluida la solar. Este artículo comienza una serie de artículos sobre los principios operativos de varios dispositivos que funcionan con energía renovable. Y lo primero que se considerará son los paneles solares. La energía solar se ha utilizado recientemente en todas partes: para la iluminación natural de las habitaciones, para calentar agua, para secar y, a veces, incluso para cocinar. Sin embargo, el uso más importante de la energía solar es quizás la generación de electricidad. ¡Y el elemento principal de dicha generación es una batería solar!
Estructura de paneles solares.
Una batería solar consta de fotocélulas conectadas en serie y en paralelo. Todas las fotocélulas están ubicadas sobre un marco fabricado con materiales no conductores. Esta configuración permite montar células solares con las características requeridas (corriente y voltaje). Además, esto permite sustituir las fotocélulas averiadas con una simple sustitución.
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento de las células fotovoltaicas que componen una batería solar se basa en el efecto fotovoltaico. Este efecto fue observado por Alexandre Edmond Becquerel en 1839. Posteriormente, los trabajos de Einstein en el campo del efecto fotoeléctrico permitieron describir cuantitativamente el fenómeno. Los experimentos de Becquerel demostraron que la energía radiante del sol se puede transformar en electricidad mediante semiconductores especiales, que más tarde se denominaron fotocélulas.En general, este método de generación de electricidad debería ser el más eficaz, porque es de una sola etapa. En comparación con otras tecnologías de conversión de energía solar mediante transición termodinámica (Rayos -> Calentamiento de agua -> Vapor -> Rotación de turbinas -> Electricidad), se pierde menos energía en las transiciones.
Estructura de una fotocélula
Una fotocélula basada en semiconductores consta de dos capas con diferentes conductividades. Los contactos están soldados a las capas en diferentes lados, que se utilizan para conectarse a un circuito externo. El papel del cátodo lo desempeña una capa con conductividad n (conductividad electrónica), el papel del ánodo lo desempeña la capa p (conductividad del agujero).
La corriente en la capa n se crea mediante el movimiento de electrones, que quedan "eliminados" cuando la luz incide sobre ellos debido al efecto fotoeléctrico. La corriente en la capa p se crea mediante el "movimiento de agujeros". Un "agujero" es un átomo que ha perdido un electrón; en consecuencia, el salto de electrones de un "agujero" a otro crea el "movimiento" de los agujeros, aunque los "agujeros" en sí, por supuesto, no se mueven en el espacio. .
En la unión de capas con conductividad n y p, se crea una unión p-n. Resulta ser una especie de diodo que puede crear una diferencia de potencial debido a la entrada de rayos de luz.
Mecanismo físico de acción.
Cuando los rayos de luz inciden en la capa n, se producen electrones libres debido al efecto fotoeléctrico. Además, reciben energía adicional y pueden "saltar" la barrera de potencial de la unión pn. La concentración de electrones y huecos cambia y se forma una diferencia de potencial. Si cierras un circuito externo, la corriente comenzará a fluir a través de él.La diferencia de potencial (y, en consecuencia, la fem) que puede crear una fotocélula depende de muchos factores: la intensidad de la radiación solar, el área de la fotocélula, la eficiencia del diseño y la temperatura (cuando se calienta, la conductividad disminuye ).
¿De qué están hechas las fotocélulas?
La primera fotocélula del mundo apareció en 1883 en el laboratorio de Charles Fritts. Estaba hecho de selenio bañado en oro. Lamentablemente, este conjunto de materiales mostró malos resultados: alrededor del 1% de eficiencia.
Se produjo una revolución en el uso de las fotocélulas cuando se creó la primera célula de silicio en las entrañas del laboratorio Bell Telephone. La empresa necesitaba una fuente de electricidad para las centrales telefónicas y se podría decir que fue la primera empresa en utilizar una fuente alternativa de energía solar.
El silicio sigue siendo el material principal para la producción de células solares. En general, el silicio (silicio, silicio) es el segundo elemento más común en la Tierra y sus reservas son enormes. Sin embargo, existe un gran problema en su uso industrial: su purificación. Este proceso requiere mucha mano de obra y es caro, por lo que el silicio puro es caro. Actualmente se está buscando análogos que sean tan eficientes como el silicio. Se consideran prometedores los compuestos de cobre, indio, selenio, galio y cadmio, así como las células solares orgánicas.
Baterías solares (Montajes)
Sin embargo, la diferencia de potencial creada por una sola célula solar es pequeña para aplicaciones industriales. Para poder utilizar células solares para alimentar dispositivos, están conectadas entre sí. De este modo se producen células solares (conjuntos solares, módulos solares). Además, las fotocélulas están cubiertas con varias capas protectoras de vidrio, plástico y diversas películas. Esto se hace para proteger el elemento frágil.
La principal característica operativa de una batería solar es la potencia máxima, que se expresa en vatios (W, W). Esta característica muestra la potencia de salida de la batería en condiciones óptimas: radiación solar 1 kW/m 2, temperatura ambiente 25 o C, ancho del espectro solar 45 o (AM1.5). En condiciones normales, es extremadamente raro lograr tales indicadores, la iluminación es menor y el módulo se calienta más (hasta 60-70 grados).
Conectando fotocélulas en serie aumentamos la diferencia de potencial, mientras que conectando en paralelo aumentamos la corriente. Por lo tanto, al combinar conexiones, es posible lograr los parámetros requeridos de corriente y voltaje y, por lo tanto, de potencia. Además, no sólo se pueden conectar en serie o en paralelo las fotocélulas dentro de una batería solar, sino también las baterías solares en su conjunto.
En los últimos años, la llamada “energía alternativa” se ha vuelto cada vez más popular. Se presta especial atención al aprovechamiento de la radiación solar. Esto es bastante natural, porque si creas un elemento que sea capaz de convertir los rayos de luz en electricidad, puedes obtener una fuente de energía inagotable y gratuita. Y se creó tal elemento. Se le llamó “fotocélula solar” o “batería solar”, y cómo funciona una batería solar es bastante sencillo de entender.
Principio de funcionamiento
Lo principal es no confundir las baterías fotovoltaicas con los colectores solares (a ambos se les suele llamar “paneles solares”). Si el principio de funcionamiento de los colectores se basa en calentar el refrigerante, las fotocélulas producen electricidad directamente. Su trabajo se basa en el efecto fotoeléctrico, que consiste en generar corriente bajo la influencia de la luz solar en materiales semiconductores.
Los semiconductores son sustancias cuyos átomos contienen un número excesivo de electrones (tipo n) o, por el contrario, carecen de ellos (tipo p). Y aquellas áreas de la estructura de los elementos p donde potencialmente podrían ubicarse los electrones se llaman "agujeros". En consecuencia, una fotocélula basada en semiconductores consta de dos capas con diferentes tipos de conductividad.
¿Cómo funcionan las células solares con esta estructura? Como sigue. La capa interior del elemento está hecha de un semiconductor p, la exterior, mucho más delgada, está hecha de un semiconductor n. En el límite de las capas aparece la llamada “zona de transición p-n”, formada debido a la formación de cargas volumétricas positivas en la capa n y negativas en la capa p.
En este caso, aparece una determinada barrera energética en la zona de transición, provocada por la diferencia de potenciales de carga. Previene la penetración de los principales portadores de carga, pero permite libremente el paso de los menores y en direcciones opuestas. Bajo la influencia de la luz solar, algunos fotones son absorbidos por la superficie del elemento y generan pares adicionales de "hueco-electrón". Es decir, los electrones y los huecos se mueven de un semiconductor a otro, dándoles una carga positiva o negativa adicional. En este caso, la diferencia de potencial inicial entre las capas n y p disminuye y se genera una corriente eléctrica en el circuito externo.
Características de la estructura.
Muchas fotocélulas modernas tienen una sola unión p-n. En este caso, los portadores de carga que se transfieren libremente son generados sólo por aquellos fotones cuya energía es mayor o igual al ancho del "espacio" en el límite de transición. Esto significa que los fotones con niveles de energía más bajos simplemente no se utilizan, lo que a su vez reduce significativamente la eficiencia de la célula. Para superar esta limitación, se crearon fotoestructuras multicapa (más a menudo de cuatro capas).
Permiten utilizar una parte significativamente mayor del espectro solar y tienen una mayor productividad. Además, las fotocélulas están colocadas de tal manera que los rayos llegan primero a la unión con la banda prohibida más amplia. En este caso, se absorben más fotones "que consumen mucha energía", mientras que los fotones con menos energía viajan a mayor profundidad y estimulan otros elementos.
¿Qué tipos de paneles solares existen?
Las células solares, cuyo principio de funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico, se han creado desde hace mucho tiempo. La principal dificultad en su producción es la selección de materiales capaces de generar una corriente suficientemente potente. Los primeros experimentos se llevaron a cabo con células de selenio, pero su eficiencia fue extremadamente baja (alrededor del 1%). Hoy en día, las células fotovoltaicas utilizan principalmente silicio; la productividad de estos dispositivos es de aproximadamente el 22%. Además, constantemente se desarrollan nuevas muestras de células (por ejemplo, utilizando galio o arseniuro de indio) con mayor eficiencia. La eficiencia máxima de los paneles solares hoy en día es del 44,7%.
Pero estos elementos son muy caros y hasta ahora sólo se producen en condiciones de laboratorio. Se han generalizado las células basadas en silicio monocristalino o policristalino, así como elementos de película fina. Las fotobaterías basadas en monocristales son más caras, pero tienen mayor rendimiento, mientras que las policristales son más baratas, pero debido a su estructura heterogénea, son menos eficientes. En la producción de células de película fina no se utilizan cristales, sino capas de silicio depositadas sobre un sustrato flexible.
Hoy en día casi todo el mundo puede coleccionar y tener el suyo propio. fuente independiente de electricidad mediante paneles solares(en la literatura científica se les llama paneles fotovoltaicos).
Con el tiempo, los equipos costosos se compensan con la oportunidad de recibir electricidad gratis. Es importante que los paneles solares sean una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente. En los últimos años, los precios de los paneles fotovoltaicos han bajado decenas de veces y continúan bajando, lo que indica grandes perspectivas para su uso.
En su forma clásica, dicha fuente de electricidad constará de las siguientes partes: directamente, una batería solar (generador de CC), una batería con un dispositivo de control de carga y un inversor que convierte la corriente continua en corriente alterna.
Los paneles solares constan de un conjunto células solares (convertidores fotovoltaicos), que convierten directamente la energía solar en energía eléctrica.
La mayoría de las células solares están hechas de silicio, que es bastante caro. Este hecho determinará el elevado coste de la energía eléctrica, que se obtiene mediante el uso de paneles solares.
Hay dos tipos habituales de convertidores fotovoltaicos: los fabricados con silicio monocristalino y policristalino. Se diferencian en la tecnología de producción. Los primeros tienen una eficiencia de hasta el 17,5% y los segundos, del 15%.
El parámetro técnico más importante de una batería solar, que tiene un gran impacto en la eficiencia de toda la instalación, es su poder útil. Está determinado por el voltaje y la corriente de salida. Estos parámetros dependen de la intensidad de la luz solar que incide sobre la batería.
F.E.M. (fuerza electromotriz) de las células solares individuales no depende de su área y disminuye cuando la batería se calienta con el sol, aproximadamente un 0,4% por 1 g. C. La corriente de salida depende de la intensidad de la radiación solar y del tamaño de las células solares. Cuanto más brillante es la luz del sol, más corriente generan las células solares. La corriente de carga y la potencia de salida se reducen drásticamente en tiempo nublado. Esto ocurre reduciendo la corriente suministrada por la batería.
Si una batería iluminada por el sol se conecta a cualquier carga con resistencia Rн, entonces aparece una corriente eléctrica I en el circuito, cuya magnitud está determinada por la calidad del convertidor fotoeléctrico, la intensidad de la iluminación y la resistencia de la carga. La potencia Pн, que se libera en la carga, está determinada por el producto Pн = InUn, donde Un es el voltaje en los terminales de la batería.
La mayor potencia se libera en la carga con una cierta resistencia óptima Ropt, que corresponde a la mayor eficiencia en la conversión de energía luminosa en energía eléctrica. Cada convertidor tiene su propio valor Ropt, que depende de la calidad, el tamaño de la superficie de trabajo y el grado de iluminación.
bateria solar Consta de células solares individuales que se conectan en serie y en paralelo para aumentar los parámetros de salida (corriente, voltaje y potencia). Cuando los elementos se conectan en serie, el voltaje de salida aumenta y cuando se conectan en paralelo, la corriente de salida aumenta. Para aumentar tanto la corriente como el voltaje, se combinan estos dos métodos de conexión. Además, con este método de conexión, el fallo de una de las células solares no provoca el fallo de toda la cadena, es decir. aumenta la fiabilidad de toda la batería.
De este modo, Una batería solar consta de células solares conectadas en serie paralela.. La corriente máxima posible suministrada por la batería es directamente proporcional al número de conexiones en paralelo y a la fem. - células solares conectadas en serie. Entonces, combinando tipos de conexión, se ensambla una batería con los parámetros requeridos.
Las células solares de la batería están desviadas por diodos. Por lo general, hay 4, uno por cada ¼ de batería. Los diodos protegen las partes de la batería que por algún motivo se oscurecen de una falla, es decir, si en algún momento la luz no incide sobre ellas. La batería genera temporalmente un 25% menos de energía que cuando el sol ilumina normalmente toda la superficie de la batería.
En ausencia de diodos, estas células solares se sobrecalentarán y fallarán, ya que durante el oscurecimiento se convierten en consumidores de corriente (las baterías se descargan a través de las células solares), y cuando se usan diodos, se desvían y no fluye corriente a través de ellos. Los diodos deben tener baja resistencia para reducir la caída de voltaje a través de ellos. Recientemente se han utilizado diodos Schottky para estos fines.
La energía eléctrica resultante se almacena en baterías y luego se transfiere a la carga. - fuentes de corriente química. La batería se carga cuando se le aplica un potencial mayor que el voltaje de la batería.
El número de células solares conectadas en serie y en paralelo debe ser tal que el voltaje de funcionamiento suministrado a las baterías, teniendo en cuenta la caída de voltaje en el circuito de carga, supere ligeramente el voltaje de la batería y la corriente de carga de la batería proporcione la cantidad requerida. de corriente de carga.
Por ejemplo, para cargar una batería de plomo de 12 V, es necesario disponer de una batería solar compuesta por 36 celdas.
Con poca luz solar, la carga de la batería disminuye y la batería transfiere energía eléctrica al receptor eléctrico, es decir, Las baterías recargables funcionan constantemente en modo de descarga y recarga.
Este proceso está controlado. La carga cíclica requiere un voltaje constante o una corriente de carga constante.
Cuando hay buena iluminación, la batería se carga rápidamente hasta el 90% de su capacidad nominal y luego a un ritmo de carga más lento hasta su capacidad total. El controlador del cargador realiza el cambio a una velocidad de carga más baja.
El más eficaz es el uso de baterías especiales (la batería utiliza ácido sulfúrico como electrolito) y baterías de plomo, que se fabrican con tecnología AGM. Estas baterías no requieren condiciones especiales de instalación y no requieren mantenimiento. La vida útil certificada de dichas baterías es de 10 a 12 años con una profundidad de descarga no superior al 20%. ¡Las baterías nunca deben descargarse por debajo de este valor, de lo contrario su vida útil se reducirá drásticamente!
La batería está conectada al panel solar a través de un controlador que controla su carga. Cuando la batería está cargada a su máxima capacidad, se conecta una resistencia al panel solar, que absorbe el exceso de energía.
Para convertir el voltaje continuo de la batería en voltaje alterno, que se puede usar para alimentar la mayoría de los receptores eléctricos, junto con las baterías solares, se pueden usar dispositivos especiales.
Sin utilizar un inversor, se puede utilizar una batería solar para alimentar receptores eléctricos que funcionan a voltaje constante, incl. varios equipos portátiles, fuentes de luz de bajo consumo, por ejemplo, las mismas lámparas LED.
Probablemente hayas notado que una calculadora normal funciona con una iluminación mínima de cualquier lámpara. Comparando el tamaño de la célula solar de la calculadora y un módulo solar estándar, la potencia de radiación puede dar una idea del rendimiento.
Y esto sin tener en cuenta el espectro de la luz solar, que es mucho más amplio que la radiación visible de la lámpara. Los hay tanto infrarrojos como ultravioleta. Este ejemplo muestra claramente cómo una batería solar, desde el amanecer hasta el anochecer, hace su trabajo silenciosamente. Aunque la eficiencia en tiempo nublado es naturalmente menor que en tiempo soleado.
Además, cuanto menor sea la temperatura ambiente, mayor será la eficiencia de la batería solar.
Funcionamiento con batería solar
Hoy en día, los paneles solares se utilizan cada vez más no en la industria espacial, sino en la vida cotidiana para alimentar y cargar dispositivos electrónicos portátiles. Y en algunos países la energía solar ya se utiliza activamente no sólo en las grandes centrales solares industriales. sino también en mini instalaciones eléctricas domésticas. Consideremos el principio de funcionamiento de una batería solar. ¿Cómo se convierte la energía luminosa del sol en energía eléctrica? A muchos les puede parecer que el principio de convertir la energía luminosa en energía eléctrica en una batería solar es muy difícil de entender para una persona que no tiene una educación superior en este campo. Sin embargo, esto no es cierto. Consideremos este proceso en detalle usando el ejemplo del funcionamiento de un convertidor fotoeléctrico, que se utiliza en baterías solares de conversión directa.
Los primeros convertidores fotoeléctricos fueron creados por ingenieros de Bell Labs en 1950 específicamente para su uso en el espacio. Se basan en elementos semiconductores. Cuando la luz del sol incide sobre ellos, se produce un proceso basado en el efecto voltaje-voltaico en semiconductores no homogéneos. convertir la energía luminosa en electricidad. Se trata de una transformación directa de una energía en otra, ya que el proceso en sí es de una sola etapa: no hay transformaciones intermedias. La eficiencia de dicha conversión depende directamente de las propiedades eléctricas y físicas de los semiconductores, así como de su fotoconductividad: cambios en la conductividad eléctrica de una sustancia cuando se ilumina.
Consideremos con más detalle los procesos que ocurren en la unión p-n de un semiconductor cuando se expone a la luz solar. Permítanme recordarles que una unión pn es una región de un semiconductor donde su tipo de conductividad cambia de electrón a hueco. Cuando la luz del sol incide en la transición en la región n, como resultado del flujo de cargas, se forma una carga volumétrica positiva y en la región p, una carga volumétrica negativa. Por tanto, surge una diferencia de potencial en la región de la unión pn. Combinando varios convertidores fotovoltaicos en un módulo en un orden determinado, y los módulos en una batería, obtenemos una batería solar capaz de generar electricidad.
¿Cómo funciona una batería solar?
Toda la vida en la tierra surgió gracias a la energía del sol. Cada segundo, una enorme cantidad de energía llega a la superficie del planeta en forma de radiación solar. Mientras quemamos miles de toneladas de carbón y productos derivados del petróleo para calentar nuestros hogares, los países ubicados más cerca del ecuador se están sofocando por el calor. Utilizar la energía del sol para las necesidades humanas es una tarea digna de mentes inquisitivas. En este artículo veremos el diseño de un convertidor directo de luz solar en energía eléctrica: una célula solar.
Una oblea delgada consta de dos capas de silicio con propiedades físicas diferentes. La capa interior es silicio monocristalino puro con conductividad hueca. Por fuera está revestido con una capa muy fina de silicio “contaminado”, por ejemplo mezclado con fósforo. Se aplica un contacto metálico continuo en la parte posterior de la placa. En el límite de las capas n y p, como resultado del flujo de carga, se forman zonas agotadas con una carga volumétrica positiva no compensada en la capa n y una carga volumétrica negativa en la capa p. Estas zonas juntas forman una unión p-n.
La barrera potencial que aparece en la transición impide el paso de los portadores de carga mayoritarios, es decir electrones del lado de la capa p, pero permiten libremente que los portadores minoritarios pasen en direcciones opuestas. Esta propiedad de las uniones p-n determina la posibilidad de obtener fotoemf al irradiar una célula solar con luz solar. Cuando se ilumina el SC, los fotones absorbidos generan pares de huecos de electrones en desequilibrio. Los electrones generados en la capa p cerca de la unión p-n se acercan a la unión p-n y son transportados a la región n por el campo eléctrico existente en ella.
De manera similar, el exceso de agujeros creados en la capa n se transfiere parcialmente a la capa p. Como resultado, la capa n adquiere una carga negativa adicional y la capa p adquiere una carga positiva. La diferencia de potencial de contacto inicial entre las capas p y n del semiconductor disminuye y aparece voltaje en el circuito externo. El polo negativo de la fuente de corriente corresponde a la capa n y la capa p a la positiva.
La mayoría de las células solares modernas tienen una única unión pn. En tal elemento, los portadores de carga libre son creados solo por aquellos fotones cuya energía es mayor o igual a la banda prohibida. En otras palabras, la respuesta fotovoltaica de una célula uniunión se limita a la parte del espectro solar cuya energía está por encima de la banda prohibida y no se utilizan fotones de menor energía. Las estructuras multicapa de dos o más células solares con diferentes bandas prohibidas pueden superar esta limitación. Estos elementos se denominan multiuniones, en cascada o en tándem. Debido a que trabajan con una porción mucho mayor del espectro solar, su eficiencia de conversión fotovoltaica es mayor. En una célula solar multiunión típica, las células solares individuales están dispuestas una detrás de otra de tal manera que la luz solar llega primero a la célula con la banda prohibida más grande y los fotones de mayor energía son absorbidos.
Las baterías no funcionan con la luz solar, pero en principio con la luz solar. La radiación electromagnética llega a la Tierra en cualquier época del año. Lo que pasa es que cuando está nublado se produce menos energía. Por ejemplo, instalamos luces autónomas que funcionan con energía solar. Por supuesto, hay intervalos cortos en los que las baterías no tienen tiempo de cargarse por completo. Pero en general esto no ocurre muy a menudo durante el invierno.
Curiosamente, incluso si cae nieve sobre el panel solar, éste continúa convirtiendo energía solar. Y debido al hecho de que las fotocélulas se calientan, la propia nieve se derrite. El principio es el mismo que calentar el cristal de un coche.
El clima invernal ideal para un panel solar es un día helado y sin nubes. A veces, en esos días incluso se pueden establecer récords de generación.
En invierno, la eficiencia del panel solar disminuye. En Moscú y la región de Moscú, en promedio, genera 8 veces menos electricidad al mes. Digamos que si en verano necesita 1 kW de energía para operar un refrigerador, una computadora y la iluminación del techo en casa, en invierno es mejor abastecerse de 2 kW para mayor confiabilidad.
Al mismo tiempo, en el Lejano Oriente la duración de la luz solar es mayor y la eficiencia se reduce sólo entre una vez y media o dos veces. Y, por supuesto, cuanto más al sur vayas, menor será la diferencia entre invierno y verano.
También es importante el ángulo de inclinación de los módulos. Puedes establecer un ángulo universal para todo el año. Y puedes cambiarlo cada vez, dependiendo de la temporada. Esto no lo hacen los dueños de la casa, sino los especialistas que acuden al lugar.
El principio de funcionamiento de una batería solar y sus tipos.
La energía solar se utiliza en la industria y en la vida cotidiana en muchas partes del mundo. El principio de funcionamiento de una batería solar es sencillo, y ésta es una de las cualidades de esta tecnología que atrae a un gran número de personas. Una célula fotovoltaica de silicio ayuda a convertir la luz solar en electricidad. Los electrones libres se convierten en una fuente de corriente eléctrica.
Una vez que comprenda cómo funciona una batería solar, podrá diseñarla usted mismo fácilmente y utilizarla para sus necesidades personales. Estas baterías son confiables, fáciles de usar y duraderas. La ventaja de un dispositivo de este tipo es que puede tener diferentes tamaños según la cantidad de energía necesaria.
Vale la pena destacar algunos tipos de paneles solares. Paneles de película fina, monocristalinos y policristalinos. El tipo de batería más popular es el monocristalino. Gracias al efecto fotovoltaico, las células de silicona convierten la energía solar en electricidad. Estas baterías suelen ser bastante compactas, ya que se considera que el número óptimo de celdas es treinta y seis. Estas baterías son ideales para instalar en superficies irregulares.
El principio de funcionamiento de un panel solar para un tipo de hogar no es muy diferente. Gracias a su duradera carcasa de fibra de vidrio, estas baterías se pueden utilizar para generar energía en los barcos. Con su ayuda, podrás asegurar el funcionamiento del equipo y recargar la batería. Esta instalación no funcionará eficazmente en tiempo nublado. También existen ciertos límites de temperatura en los que se puede obtener la mayor cantidad de energía.
Tienen gran demanda baterías de película delgada. El principio de funcionamiento de este tipo de batería solar permite instalarla en cualquier lugar. Estas baterías no requieren luz solar directa. Además, estas baterías funcionarán en grandes cantidades de polvo. La desventaja de estos paneles solares son sus grandes dimensiones, lo que hace necesario asignar una gran superficie para este tipo de instalaciones.
Fuentes: super-alternatiwa.narod.ru, scsiexplorer.com.ua, howitworks.iknowit.ru, recyclemag.ru, energorus.com
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