Hur Fungerar Solpaneler?

När saker som elfordon ökar efterfrågan på elnätet, söker både industrier och regeringar efter renare och mer rikliga energikällor än den traditionella kolpannan. Den mest rikliga energikällan mänskligheten har är stjärnan i centrum av vårt solsystem – solen! Solen är i princip en gigantisk fusionreaktor, som strålar ut värme och plasma, och den kommer att fortsätta brinna i miljarder år.

För att utnyttja solenergi i en form som kan driva vardagsapparater har mänskligheten uppfunnit fotovoltaiska celler, allmänt kända som solpaneler. Men hur fungerar solpaneler?

De användes en gång nästan uteslutande i rymden, där de drev satelliternas elektriska system så tidigt som 1958, men används allt mer på vanliga sätt. Tekniken fortsätter att dyka upp i nya enheter hela tiden, från solglasögon till laddstationer för elfordon.

Hoppet om en ”solrevolution” har florerat i årtionden – idén att vi en dag alla ska använda gratis solel från solen. Detta är ett förföriskt löfte, eftersom solens strålar på en ljus, solig dag ger cirka 1 000 watt energi per kvadratmeter av planetens yta. Om vi kunde samla in all den energin, skulle vi enkelt kunna driva våra hem och kontor gratis och ha reserver lagrade med den överflödiga energi som produceras.

I denna artikel kommer vi att undersöka hur solpaneler genererar elektricitet och exakt hur solpaneler fungerar. Under processen kommer du att lära dig varför vi kommer närmare att använda solens energi dagligen, och varför vi fortfarande har mer forskning att göra innan processen blir kostnadseffektiv.

Fotovoltaiska solpaneler: Konvertera fotoner till elektroner

Solpanelerna som du ser på kraftstationer och satelliter kallas också för solcellspaneler (PV) eller solceller, som som namnet antyder (foto som betyder ”ljus” och voltaiskt betyder ”elektricitet”), omvandlar solljus direkt till elektricitet. En modul är en grupp paneler anslutna elektriskt och förpackade i en ram (mer allmänt känd som en solpanel), som sedan kan grupperas i större solpaneler, som den som fungerar vid Nellis Air Force Base i Nevada.

Fotovoltaiska celler är gjorda av speciella material som kallas halvledare som kisel, som för närvarande används mest. I grund och botten, när ljus träffar panelen, absorberas en viss del av den av halvledarmaterialet. Detta innebär att energin från det absorberade ljuset överförs till halvledaren. Energin slår loss elektronerna och låter dem flöda fritt.

PV-solpaneler arbetar med ett eller flera elektriska fält som tvingar elektroner som frigörs genom ljusabsorption att flöda i en viss riktning. Detta elektronflöde är en ström, och genom att placera metallkontakter på toppen och botten av PV-cellen kan vi dra av den strömmen för extern användning. Denna ström, tillsammans med cellens spänning (som är ett resultat av dess inbyggda elektriska fält eller fält), definierar den effekt (eller watt) som solcellen kan producera.

Det är den grundläggande processen, men det finns verkligen mycket mer i det. Låt oss sedan ta en djupare titt på ett exempel på en PV-panel: enkristallkiselpanelen.

Hur Silicon gör solpaneler

• Kiselets kristallina struktur: Kiselatomer, med 14 elektroner arrangerade i tre skal, bildar en kristallin struktur genom att dela elektroner med fyra närliggande atomer, vilket gör dess yttre skal komplett.
• Dålig ledningsförmåga hos rent kisel: Rent kristallint kisel är en dålig ledare av elektricitet eftersom dess elektroner är hårt bundna i sina skal, till skillnad från de i metaller som koppar.
• Dopning med fosfor: Tillsats av föroreningar som fosfor, som har en extra elektron som inte är involverad i bindning, förbättrar konduktiviteten genom att skapa fria bärare (elektroner) som lätt kan röra sig.
• Dopning med bor: En annan typ av dopning innebär att man lägger till bor, som bara har tre elektroner i sitt yttre skal, vilket skapar kisel av P-typ med fria positiva laddningsbärare (hål).
• Förbättrad ledningsförmåga i solceller: Kombinationen av N-typ (fosfordopad) och P-typ (bordopad) kisel förbättrar solcellernas totala ledningsförmåga och effektivitet, vilket gör att de kan generera elektricitet effektivt.

Anatomi av en solpanel

• Bildandet av Elektriskt Fält: När N-typ och P-typ kisel kombineras bildas ett elektriskt fält vid gränssnittet, vilket skapar en barriär som hindrar alla fria elektroner från att fylla hålen. Detta etablerar en jämvikt och möjliggör elektronflöde från P-sidan till N-sidan.
• Interaktion med Fotoner: När fotoner träffar solpanelen bryter de upp elektron-hål-par. Det elektriska fältet driver elektroner till N-sidan och hål till P-sidan, vilket genererar ström när en extern väg tillhandahålls.
• Ytterligare Komponenter: En antireflekterande beläggning appliceras på kisel för att minska förlusten av fotoner, och en glasplatta installeras för skydd. Flera paneler kopplas ihop i en ram för att skapa en funktionell PV-modul med positiva och negativa terminaler.
• Effektivitetsutmaningar: Kommersiella solpaneler har mindre än 30% effektivitet. Laboratorieinställningar har uppnått upp till 47%, men praktiska tillämpningar förlitar sig fortfarande på att installera fler paneler för att öka kraftuttaget, vilket ökar kostnaderna.
• Koncentrerade Solkraftverk: Dessa kraftverk använder speglar för att rikta solljus till en central mottagare innehållande smält salt, som värms upp och driver ångturbiner. De kan generera mer kraft än traditionella PV-system men kräver stora områden och innebär säkerhetsrisker.

Energiförlust i en solpanel

Synligt ljus är bara en del av det elektromagnetiska spektrumet. Elektromagnetisk strålning är inte monokromatisk – den består av en rad olika våglängder och därför energinivåer.

Ljus kan delas upp i olika våglängder, vilket vi kan se i form av en regnbåge. Eftersom ljuset som träffar vår cell har fotoner med ett brett spektrum av energier, visar det sig att vissa av dem inte kommer att ha tillräckligt med energi för att förändra ett elektron-hål-par. De kommer helt enkelt att passera genom cellen som om den vore genomskinlig. Ytterligare andra fotoner har för mycket energi. Endast en viss mängd energi, mätt i elektronvolt (eV) och definierad av cellmaterial (ca 1,1 eV för kristallint kisel), krävs för att slå loss en elektron.

Detta kallas bandgapsenergin för ett material. Om en foton har mer energi än vad som krävs går den extra energin förlorad. (Det vill säga, om inte en foton har dubbelt så mycket energi som krävs och kan skapa mer än ett elektron-hålspar, men denna effekt är inte signifikant.) Dessa två effekter kan enbart förklara förlusten av cirka 70 procent av den infallande strålningsenergin på cellen.

Varför kan vi inte välja ett material med ett riktigt lågt bandgap, så att vi kan använda fler av fotonerna? Tyvärr bestämmer bandgapet också styrkan (spänningen) på det elektriska fältet, och om det är för lågt så förlorar vi det vi gör upp i extra ström (genom att absorbera fler fotoner) genom att ha en liten spänning. Kom ihåg att effekt är spänning gånger ström. Det optimala bandgapet, som balanserar dessa två effekter, är cirka 1,4 eV för en cell gjord av ett enda material.

Det finns andra förluster också. Elektroner måste flöda från ena sidan av cellen till den andra genom en extern krets. Vi kan täcka botten med en metall, vilket möjliggör god ledning, men om vi täcker toppen helt kan inte fotoner ta sig igenom den ogenomskinliga ledaren och vi förlorar all ström (i vissa solpaneler används transparenta ledare på den övre ytan, men inte i alla). Om vi ​​bara sätter kontakter på sidorna av vår cell, måste elektronerna resa en extremt lång sträcka för att nå kontakterna.

Kom ihåg att kisel är en halvledare – det är inte alls lika bra som en metall för att transportera ström. Dess inre resistans (kallad serieresistans) är ganska hög, och hög resistans betyder höga förluster. För att minimera dessa förluster täcks celler vanligtvis av ett metalliskt kontaktnät som förkortar det avstånd som elektroner måste färdas samtidigt som de täcker bara en liten del av cellytan. Trots det blockeras vissa fotoner av nätet, som inte kan vara för litet, annars blir dess eget motstånd för högt.

Nu när vi vet hur en solcell fungerar, låt oss se vad som krävs för att driva ett hus med tekniken

Hur solpaneler genererar elektricitet i ett hus

Vad skulle du behöva göra för att driva ditt hus med solenergi? Även om det inte är så enkelt som att bara slå några moduler på taket för att börja producera solenergi, är det inte heller extremt svårt att göra.

För det första har inte alla tak rätt orientering eller lutningsvinkel för att dra full nytta av solens energi. Icke-spårande solcellssystem på norra halvklotet bör helst peka mot äkta söder, även om orienteringar som är vända i mer östliga och västliga riktningar också kan fungera, om än genom att offra olika grader av effektivitet.

Solpaneler bör också lutas i en vinkel så nära områdets latitud som möjligt för att absorbera maximal mängd energi året runt. En annan orientering och/eller lutning kan användas om du vill maximera energiproduktionen för morgonen eller eftermiddagen och/eller sommaren eller vintern. Modulerna ska givetvis aldrig skuggas av närliggande träd eller byggnader, oavsett tid på dygnet eller årstid. I en PV-modul, om bara en av dess paneler är skuggad, kan energiproduktionen minskas avsevärt.

Om du har ett hus med oskuggat, söderläge tak måste du bestämma dig för vilket storlekssystem du behöver. Detta kompliceras av att din elproduktion beror på vädret, vilket aldrig är helt förutsägbart, och att ditt elbehov också kommer att variera.

Lyckligtvis är dessa hinder ganska lätta att rensa. Meteorologiska data ger genomsnittliga månatliga solljusnivåer för olika geografiska områden. Detta tar hänsyn till nederbörd och molniga dagar, samt höjd, luftfuktighet och andra mer subtila faktorer. Du bör designa för den värsta månaden, så att du kommer att generera el året runt.

Med den informationen och ditt genomsnittliga hushållsbehov (din elräkning låter dig enkelt veta hur mycket energi du använder varje månad) finns det enkla metoder du kan använda för att bestämma hur många solcellsmoduler du behöver. Du måste också bestämma dig för en systemspänning, som du kan styra genom att bestämma hur många moduler som ska kopplas i serie.

Du kanske redan har gissat ett par problem som vi måste lösa. Först, vad gör vi när solen inte skiner?

Lösa problem med solenergi

1. Reservgenerator: Att använda en reservgenerator säkerställer strömförsörjning när solpanelerna inte producerar tillräckligt med elektricitet, vilket är idealiskt för dem som lever utanför nätet.
2. Batterilagring: Energilagring i batterier kan leverera elektricitet när solkraften är otillräcklig, även om det ökar systemets kostnad och underhåll.
3. Nätanslutning: Anslutning till elnätet möjliggör att köpa el när det behövs och sälja överskottsenergi tillbaka, vilket ger en praktiskt taget oändlig lagringslösning.
4. Regulatorisk Variabilitet: Statliga regler och policyer från elbolag om återköp av el varierar beroende på plats och kan ändras.
5. Kompatibilitets- och Säkerhetsutrustning: Speciell utrustning behövs för att säkerställa kompatibilitet med elnätet, och anti-islanding omvandlare förhindrar att el matas in i döda kraftledningar under strömavbrott.
6. Batteriunderhåll och Utbyte: Batterier kräver underhåll och slutligen utbyte, till skillnad från solpaneler som kan hålla i cirka 30 år.
7. Batterisäkerhet: Batterier kan vara farliga på grund av lagrad energi och sura elektrolyter, vilket kräver välventilerade, icke-metalliska höljen.
8. Djupcykelbatterier: Djupcykelbatterier, till skillnad från ytkretsbatterier i bilar, kan ladda ur mer lagrad energi över längre perioder, vilket är lämpligt för PV-system.
9. Vanliga Batterityper: Bly-syra (förseglade och ventilerade) och nickel-kadmiumbatterier är vanliga i PV-system, var och en med sina för- och nackdelar.
10. Litiumjonbatterier: Alltmer populära i solenergitillämpningar, litiumjonbatterier erbjuder högre energilagringspotential men är dyrare och riskerar överhettning eller brand om de hanteras felaktigt.

Avsluta Din Solenergi Installation

Användningen av batterier kräver installation av en annan komponent som kallas laddningsregulator. Batterier håller mycket längre om de inte är överladdade eller tömda för mycket. Det är vad en laddregulator gör. När batterierna är fulladdade, låter laddningsregulatorn inte ström från PV-modulerna fortsätta att flöda in i dem.

På liknande sätt, när batterierna väl har tömts till en viss förutbestämd nivå, kontrollerad genom att mäta batterispänning, kommer många laddningsregulatorer inte att tillåta mer ström att tömmas från batterierna förrän de har laddats upp igen. Användningen av en laddningskontroll är avgörande för lång batteritid.

Det andra problemet förutom energilagring är att elen som genereras av dina solpaneler, och som utvinns från dina batterier om du väljer att använda dem, inte är i den form som tillhandahålls av ditt företag eller används av de elektriska apparaterna i ditt hus.

Elen som genereras av ett solsystem är likström, så du behöver en växelriktare för att omvandla den till växelström. Och som vi diskuterade, förutom att byta DC till AC, är vissa växelriktare också utformade för att skydda mot öar om ditt system är anslutet till elnätet.

De flesta stora växelriktare låter dig automatiskt styra hur ditt system fungerar. Vissa PV-moduler, kallade AC-moduler, har faktiskt redan en växelriktare inbyggd i varje modul, vilket eliminerar behovet av en stor central växelriktare och förenklar ledningsproblem.

Släng in monteringsutrustning, kablar, kopplingsdosor, jordningsutrustning, överströmsskydd, DC- och AC-frånkopplingar och andra tillbehör, och du har själv ett system. Du måste följa elektriska koder (det finns ett avsnitt i National Electrical Code bara för PV), och det rekommenderas starkt att en licensierad elektriker som har erfarenhet av PV-system gör installationen. När det väl har installerats kräver ett PV-system väldigt lite underhåll (särskilt om inga batterier används) och kommer att tillhandahålla el rent och tyst i 20 år eller mer.

Solenergi kostnader

1. Kostnadsöverväganden: Trots att solen är gratis är den elektricitet som genereras av solcells-system inte det, påverkad av flera faktorer.
2. Platsens påverkan: Mängden solljus en region får påverkar effektiviteten för solcells-system avsevärt. Solrika områden ger mer elektricitet, vilket gör solenergi mer fördelaktig där.
3. Elspriser: Variationen i elkostnader över olika regioner gör solenergi mer attraktiv i områden med höga elkostnader, även i mindre soliga klimat.
4. Installationskostnader: Att installera ett solcells-system innebär betydande kostnader för hårdvara, även om priserna har minskat avsevärt under det senaste decenniet.
5. Finansiella incitament: Statliga skattelättnader och rabatter från elföretag kan avsevärt minska de initiala kostnaderna för att installera solpaneler.
6. Avkastning på investering: Solcells-system kan potentiellt betala för sig själva snabbare genom överskott av elektricitetsproduktion och besparingar på elkostnader.
7. Ökning av fastighetsvärde: Att installera solcells-system förväntas öka fastighetsvärden, vilket ger ekonomisk nytta bortom energibesparingar.
8. Konkurrenskraft med elföretag: Solenergi möter för närvarande utmaningar i konkurrensen med traditionella elföretag, men kostnaderna minskar med teknologiska framsteg.
9. Skalning av tillverkning: Att sänka produktionskostnaderna genom massproduktion är avgörande för att göra solenergi mer prisvärd och utbredd.
10. Framtidsutsikter: Trots aktuella utmaningar förväntas framsteg inom teknologi och ökad miljömedvetenhet driva en lovande framtid för solcells-system globalt.

Faqs

Resources :// Howstuffworks