Jak stín ovlivňuje výkon solárních panelů? | Ecoproject-Energo

Se zběsilým tempem rozvoje solární energie stále visí ve vzduchu velmi důležitá otázka – jak stín ovlivňuje dílo? solární panel. V tomto případě všichni jako jeden prohlašují, že to má negativní vliv a je plné výrazné ztráty energie. To je ale snadné určit pouze na první pohled v praxi, vše je trochu složitější. A my se nyní pokusíme tomuto citlivému problému porozumět.

Tvrdí to výzkum britských vědců. Náš výzkum ukázal, že v této problematice jsou dva typy stínů: „tvrdé“ a „měkké“. Pokud pevný předmět nebo překážka přesně definovaného tvaru a velikosti vrhá stín, nazývá se „tvrdá“. „Měkký“ odstín představuje snížení intenzity slunečního záření. Například kvůli mlze, zataženému počasí nebo smogu.

Je důležité pochopit rozdíl mezi typy stínů. Různé typy stínění mají různé účinky na výkon solárních panelů.

Na první pohled je vše tak jednoduché, jak jen to může být. Existují však nuance.

„Měkký“ stín pokrývající jednu buňku solární panel, snižuje svůj výkon generování elektrického proudu přímo úměrně poklesu osvětlení. Navzdory poklesu osvětlení, pokud je dostatečné množství světla (~50 Watt/m2), zůstává napětí nezměněno. Napětí v solárním článku závisí více na teplotě a bandgapu materiálu než na samotném světle.

Vysvětlení efektu „tvrdého“ stínu je trochu složitější. Dokud je mezi elektrodami obou článků souvislý pás osvětleného materiálu, bude v panelu přítomno určité množství proudu. Síla proudu bude úměrná osvětlené oblasti solární panel. Na tvaru stínu nezáleží. Když jsme však vytvořili užší a širší úzké oblasti, proud se shromáždil v úzkých oblastech a vytvořil oblasti s velmi vysokou teplotou. Tyto body se nazývají „horké místo“ (horké místo). Horká místa ve vzácných případech vedla k požáru modulu. Například když se síla proudu celého obvodu shromažďuje v malém bodě solární baterie.

Pokud mezi elektrodami není plně osvětlená cesta nebo je celý článek ve stínu, přestane článkem protékat proud a jeho napětí klesne. To má za následek „otevření“ okruhu kvůli skutečnosti, že energie již neproudí buňkou. Nejmodernější solární panely obsahuje stříbrné nitě, které usnadňují průchod náboje silikonem, podobně jako dálnice zrychlují cestování hustě obydleným městem. Ukazuje se, že dokud jsou články využívající stříbro osvětlené, budou produkovat energii. Jediná společnost, o které vím, že nepoužívá stříbrnou nit, je Sluneční síla, protože jejich solární články jsou vytvořeny jiným způsobem a mohou sbírat více slunečního světla. V těchto Solární Sází se na schopnost nasbírat více energie ze slunce, ale tato technologie má i nevýhody – jakékoli množství stínu zcela zastaví produkci energie.

Ve skutečnosti je to ještě složitější.

Na úrovni modulu je více solárních panelů zapojeno do série. To pomáhá zvýšit produkované napětí. „Měkký“ stín dopadající na modul nezastaví produkci napětí, ale sníží proud produkovaný modulem. „Tvrdý“ stín dopadající na část modulu způsobí přerušení obvodu, což povede ke snížení generovaného napětí. V moderním Solární existuje speciální součást – bypass dioda (bypass dioda).

Tyto diody umožňují průchod elektrického proudu zastíněnými oblastmi. Solární panely jsou zapojeny do série, což znamená, že proud musí být ve všech komponentách stejný. V souladu s tím, bez bypass diod, jakýkoli stín jednoduše zastaví výrobu elektřiny všemi připojenými solárními panely. Bypass diody jsou navrženy a umístěny tak, aby jimi proud mohl procházet pouze tehdy, když je článek, který tyto diody obcházejí, ve stínu. Protože diody nemají velký vliv na napětí, všechny stínové ztráty využívají bočníkové diody jsou redukovány pouze na napětí produkované články nyní ve stínu.

Tyto informace lze zobrazit na grafu napětí-proud.

Graf vztahu mezi výkonem a napětím (TMP – Point of Maximum Performance)

Každá baterie má na grafu výkonu a napětí nejvyšší bod. To je velmi důležitý bod, protože regulátor nabíjení se snaží dostat co nejblíže k tomuto bodu, aby produkoval maximální výkon. Výše uvedené grafy ukazují, že různé typy odstínů mají různý vliv na výrobní kapacitu.

V důsledku toho, jakmile jakýkoli stín padne na solární panel, regulátor nabíjení není schopen extrahovat optimální výkon z panelu a začne měnit napětí, aby našel nový nejvyšší bod výkonu. To způsobuje ztrátu dodávky solární panely energie na několik minut.

Mnohem složitější.

Dříve jsme hovořili pouze o jednom modulu. To však vede k další otázce: jak tyto 2 typy stínění interagují s celým solárním polem? Stíny jsou velmi zřídka rozmístěny rovnoměrně po celé ploše solárního panelu. Proto různé moduly v obvodech a různé obvody produkují různá množství energie. Různé typy stínů vedou k různým efektům.

„Měkký“ stín, který dopadá pouze na některé moduly v obvodu, způsobí efekt „nesouladu proudu“ (protože moduly generují různé množství proudu). Protože v každém sériovém obvodu musí být proud ve všech modulech stejný, celý obvod přijímá nejslabší proud. Tento efekt se vyskytuje ve všech obvodech panelu (nezávisle, protože obvody jsou zapojeny paralelně). Přestože jsou obvody nezávislé, nesoulad napětí v jednom obvodu může negativně ovlivnit ostatní obvody v důsledku interakce všech obvodů s střídač nebo regulátor nabíjení.

„Tvrdý“ stín způsobuje pokles napětí ve stínovaných článcích. Nicméně díky střídač nebo regulátor nabíjení a bočníkové diody, zůstává proud ve většině případů nezměněn (pokud ovšem nejsou všechny moduly ve stínu). Když stín dopadá nerovnoměrně na dva paralelně zapojené obvody, dochází k efektu „nesouladu napětí“. K tomuto efektu dochází, když dva paralelně zapojené obvody produkují různá napětí (přičemž každý jednotlivý obvod je měřen nezávisle). Může to být matoucí střídač nebo regulátor nabíjení matoucí, což způsobuje nekonečné úpravy baterií pro dosažení optimálního výkonu.

Zde je třeba poznamenat, že nesoulad napětí je nemožný Solární, které se skládají z jediného obvodu (protože není zapojen paralelně s jinými obvody). V solární panel, skládající se z jediného obvodu, lze pozorovat pouze vliv nesouladu proudu. Pokud „tvrdý“ stín zakryje jeden z obvodů, napětí klesne. Invertor/regulátor nabíjení na to zareaguje a při změně podmínek uvede panel na maximální výkon.

Níže uvedené grafy ilustrují výsledek částečného zastínění solárního panelu:

Od nejvyšších bodů grafu PV, které jsou vidět invertor/regulátor nabíjení, mění se pohybem stínu, invertor/regulátor nabíjení může dělat chyby a zvolit napětí, které neodpovídá optimálnímu výkonu a pracovat v tomto režimu dlouhodobě. To může výrazně ovlivnit množství vyrobené energie, a to jak krátkodobě, tak i ročně. Teď střídače/regulátory nabíjení být technologicky vyspělejší a mohou se snadněji vyrovnat se špičkovým výkonem ve stínovaných prostředích.

Mikro invertory jsou instalovány v každém jednotlivém modulu solárního článku, což každému modulu umožňuje produkovat střídavý proud na optimální úrovni, bez ohledu na podmínky, kterým čelí sousední moduly. Však mikro invertory jsou velmi drahé a relativně neúčinné. Nyní technologie mikro invertory se vyvíjí směrem ke konkurenceschopnosti, což znamená, že v budoucnu lze očekávat, že všechny solární moduly budou mít střídače.

Optimalizátory výkonu byly vyvinuty jako specializované řešení problému stínů, ale jejich cena a složitost posouvají cenu takových zařízení za hranici praktičnosti. Princip jejich činnosti je podobný mikroinvertoru. Řídí také výkon každého jednotlivého modulu. Ale nedělají proud střídavý. Doporučuje se instalovat optimalizátory výkonu pouze v případech, kdy jednotlivé moduly solární panel ocitnou se ve stínu. Vzhledem k jejich vysoké ceně se doporučuje instalovat je pouze na malý počet modulů.

Mnoho panelů používá východ-západ nebo dvouosé systémy. Takové systémy otáčí panely během dne, aby se zabránilo stínění solární panely jiné solární panely, když se slunce pohybuje.

Rozvoj naší civilizace vyžaduje stále více energie. Dnes většina z ní pochází ze spalování fosilních paliv, ale dříve lidé používali mnohem jednodušší zdroje. Vítr pohání plachty a otáčí lopatkami mlýnů a slunce. zahřívá a svítí.

Moderní chápání vyčerpatelnosti fosilních zdrojů, stejně jako problémy životního prostředí, však vedly k tomu, že jsme opět obrátili svou pozornost k nevyčerpatelným přírodním zdrojům. Naše hvězda nám posílá tolik světla a tepla, že jejich ignorování a nevyužívání pro naše vlastní účely je prostě bezohledné.

Nevyčerpatelný zdroj energie má člověk vždy po ruce

Růst výroby solární energie je téměř exponenciální. A je samozřejmě založen na technických řešeních. Člověk se naučil přeměňovat sluneční energii na stejnosměrný proud, a ne s ní jen něco ohřívat. A zařízení, která jsou za takovou transformaci zodpovědná, se nazývají solární panely nebo solární baterie.

Jak byly vynalezeny solární baterie

Zpočátku mohli lidé využívat sluneční energii pouze k osvětlení a vytápění. Ve starověké Číně, Řecku a Římě existovaly odpovídající konstrukce. I tehdy se koncentrované světlo stalo základem pro podpalování pomocí zakřivených kovových předmětů. Do 1839. století si lidé zvykli k tomuto účelu používat sklo. S aktivním studiem elektřiny vědeckým světem na začátku 19. století se stala aktuální i otázka její výroby. V roce 1 zaznamenal mladý XNUMXletý Alexandre Edmond Becquerel, pracující v laboratoři svého otce, zajímavý jev. Při osvětlování platinových desek ponořených do roztoku elektrolytu zaznamenal galvanometr výskyt elektromotorické síly. Účinnost zařízení byla pouze XNUMX %. Objevený fotoelektrický jev se stal základem technologie, kterou uvažujeme. Praktické výsledky však byly stále ještě daleko.

Edmond Becquerel – „otec“ techniky V roce 1886 objevil Němec Heinrich Hertz vnější fotoelektrický jev a o pár let později Rus Alexandr Stoletov tento jev podrobně prostudoval a skutečně vytvořil první fotobuňku v historii. Sám Albert Einstein však plně vysvětlil, co se děje, a opíral se o kvantovou teorii. A právě za studium fotoelektrického jevu obdržel v roce 1921 Nobelovu cenu. Vznik polovodičů dal život křemíkové fotobuňce. Když je osvětlena, v zóně p-n přechodu se vytvoří potenciálový rozdíl. Tento proces byl roky studován v Bellových laboratořích, dokud 25. dubna 1954 nebyl oznámen vznik první solární baterie v historii. Zaměstnanci společnosti ukázali, jak jejich instalace napájí malé ruské kolo a rádiový vysílač.

První solární baterie – výsledek je zřejmý! Účinnost zařízení byla pouze 6 %, ale hlavní bylo, že fungovalo! Nový velkolepý vynález okamžitě upoutal pozornost tisku i veřejnosti. A po roce a půl se účinnost zvýšila 1krát. Prvek o výkonu 286 W ale stál až 1958 dolarů, takže tato baterie nemohla být masovým produktem. A pak se hnací silou rozvoje technologií stala konkurence, studená válka a vesmírné závody. V roce 90 USA i SSSR vypustily své družice, které využívaly solární baterie. Staly se nejdůležitějším a nejspolehlivějším zdrojem energie pro kosmické lodě. Tehdy se ale nikdo nestaral o cenu řešení. Až do XNUMX. let byly solární baterie exotikou, ale technický pokrok a vznik nových materiálů tuto technologii mnohem zpřístupnily.

Černé panely na Sputniku 3 jsou vůbec prvními vesmírnými solárními bateriemi

Princip fungování solárních panelů

Baterie je založena na solárním článku. Jejím účelem je vyrábět elektřinu zachycováním slunečního záření. Články jsou sloučeny do velkých bloků nazývaných moduly. Solární panel je soubor mnoha modulů, ve skutečnosti stovek článků. Solární články se skládají ze dvou různých vrstev křemíku. Jedna je polovodič typu p, který má méně elektronů. Druhá, polovodič typu n, má přebytek elektronů. Tohoto rozdílu je dosaženo přidáním dalších látek, jako je fosfor a bor.

Princip výroby energie solárními panely Ohřev desky je doprovázen částečnou absorpcí energie fotonů slunečního záření. To stačí k odtržení elektronů od jejich atomů. Pohyb elektronů mezi vrstvami vede ke vzniku napětí.

Od solární baterie k solární stanici

Samotný bateriový modul se skládá z kovové základní desky, na které jsou umístěny dvě vrstvy polovodičů typu p a n. Navrch je nanesen antireflexní povlak pro maximalizaci absorpce záření. Mezi prvky je umístěn tenký metalizovaný kontakt s drátem, který tvoří síť. Konstrukce je nahoře pokryta silným ochranným sklem a obklopena rámem. Solární panely lze do pole zapojit třemi způsoby: paralelně, sériově a paralelně-sériově. Tyto možnosti umožňují měnit proud a napětí. Volba typu zapojení závisí na potřebách periferního zařízení.

Od solárních panelů ke spotřebiteli Elektřina generovaná panelem napájí baterii. Její provoz je řízen regulátorem. Pokud je baterie vysoko nabitá, solární panel se vypne a naopak. Stanice má také měnič, který převádí stejnosměrný proud na střídavý. Tímto způsobem lze získat klasické napětí 220 V, které pak může napájet domácí spotřebiče.

Takové různé solární baterie

Na trhu existuje mnoho různých typů solárních baterií a je snadné se v nich zmást. Levnější technologie vedly k rozvoji tohoto odvětví alternativní energie, takže se produkty vyrábějí i různými způsoby podle potřeb spotřebitele. Nejoblíbenější solární baterie jsou křemíkové. Dodávají se ve třech typech: MonokrystalickéTyto panely se vyrábějí umístěním krystalu do roztaveného křemíku a jeho následným rozřezáním do obdélníkového tvaru. Tyto baterie se vyznačují černou barvou, jsou relativně drahé, ale také účinné.

Dva nejoblíbenější typy solárních panelůPolykrystalickýJsou založeny na deskách získaných odléváním horkého křemíku do forem. Taková výroba je levnější, ale její účinnost je nižší. Chaotické uspořádání křemíkových mikročástic však umožňuje získávat energii i za slabého osvětlení. Barva panelů se blíží tmavě modré. amorfníTato baterie má minimum křemíku, což určuje nízkou účinnost. Tento typ baterie si dobře uchovává energii při zahřívání a také citlivost za zhoršených světelných podmínek. V závislosti na typu materiálu existují i další možnosti baterií:

Solární panely se stávají flexibilními a tenkými

Baterie se také liší svými mechanickými vlastnostmi. Tato zařízení mohou být buď pevná, nebo flexibilní, tenkovrstvá. Druhá možnost je obzvláště slibná, protože flexibilní baterie lze instalovat na různé povrchy, nejen na ploché a rovné. Zbývá už jen vyřešit problémy s účinností.

Účinnost solárních baterií

Jedním z hlavních kritérií pro výběr solárních panelů je jejich účinnost. Jedná se o číselný ukazatel, který se vypočítává jako poměr generovaného výkonu k výkonu dopadajícího záření. Čím vyšší je účinnost, tím více energie lze získat z jednotky plochy. Ukazatele se pohybují od 8 % u tenkovrstvých fotovoltaických prvků do 23 % u monokrystalických křemíkových struktur.

Řízení orientace zvyšuje efektivitu

Účinnost solárního panelu není určena pouze volbou samotného typu fotobuňky, ale také mnoha významnými faktory: geografií instalace (na jihu je více slunce), úhlem panelu a jeho orientací vůči slunci, nečistotami na povrchu, stářím panelu atd.

Kde se používají solární panely?

Nejzřejmější aplikací solárních panelů jsou solární elektrárny. Jedná se o obrovská pole, která vyrábějí značné množství elektřiny. Největší elektrárna dnes má špičkový výkon 206 MW a skládá se ze 3 milionů solárních modulů. A i když je to srovnatelné s kapacitou malé tepelné elektrárny, „zelená“ alternativa nebude zbytečná. Dokonce i Apple si postavil vlastní malou elektrárnu.

Střecha kampusu společnosti Apple je skvělým místem pro instalaci solárních panelů

Konstrukce solární elektrárny je tak jednoduchá, že ji lze reprodukovat i v soukromé domácnosti. Není náhoda, že prodej solárních panelů rok od roku roste o desítky procent. A to je také zásluha soukromých majitelů. Se správným přístupem můžete svému domu dodat 100% elektřiny ze slunce a přebytky prodat energetické společnosti.

Obecně je seznam oblastí života, kde se solární baterie již aktivně používají, velmi široký. Například pro vesmír se používají nejmodernější technologie, které zatím nejsou běžnému spotřebiteli dostupné. Solární baterie pohánějí auta a lodě, poskytují autonomní energii lidem a objektům na odlehlých místech.

Solární panely zvyšují dojezd automobilu

Pro výkonné spotřebitele je tento typ energie pomocný, ale pro mnoho úsporných zařízení zcela řeší problém napájení. Elektronické hodinky se solárními bateriemi se objevily již v roce 1976 a dnes výrobci, včetně společnosti Apple, aktivně uvažují o napájení našich hlavních zařízení – chytrých telefonů a hodinek – ze slunce.

Nevýhody solárních panelů

Hlavní nevýhody solárních baterií jsou známé a v současné době omezují rozvoj tohoto energetického odvětví.

Vysoká cenaVýstavba objektu, který bude napájet alespoň jeden dům, bude vyžadovat značné investice. A baterie nejsou levné. Náklady se vám vrátí za roky.

Potřeba přidělit významné oblastiVelká solární elektrárna jsou celá pole, pro která je stále třeba najít pozemek. A ukazatel výkonu na metr čtvereční je velmi nízký, výrazně horší než u tradičních zdrojů energie.

Čínská solární elektrárna – možná nevypadá moc technologicky, ale je rozsáhlá

Závislost na SlunciSolární panely vyžadují světlo. V noci se výroba elektřiny zastaví a účinnost klesá za soumraku. A právě večer spotřebitelé potřebují energii maximálně.

Nedostatek efektivityI ty nejlepší vzorky na trhu mají účinnost sotva více než 22 %. A tento parametr má jednoznačně prostor pro zlepšení. Nové technologie, materiály a přístupy nám umožňují systematicky, i když ne rapidně, tento ukazatel zvyšovat.

Ekologický faktorPřestože je samotná energie považována za „čistou“, fotovoltaické články často obsahují toxické látky, jako jsou halogenidy olova. A zde se stává relevantní další otázka…

Jak zlikvidovat solární panely

S věkem se účinnost solární baterie snižuje a nové technologie nás nutí volit ziskovější řešení. Proto je otázka likvidace solárních baterií poměrně aktuální. Fotočlánky obsahují těžké kovy (olovo, kadmium), které se bez řádné kontroly mohou dostat do životního prostředí. Správná likvidace navíc umožňuje druhotné využití dílů.

Likvidace solárních panelů probíhá v několika fázích:

Mechanická demontážTělo je rozebráno na jednotlivé součásti, všechny komponenty jsou z něj odstraněny: rám, sklo, polymery, fotobuňky.

Oddělovací prvkyMateriály jsou tříděny pro následné oddělené zpracování. Stejný hliník lze použít k vytvoření nového rámu.

A to vše bude recyklováno a znovu použito!

Zpracování nebezpečných látekV této fázi je zvláštní pozornost věnována nejnebezpečnějším chemickým prvkům, jejichž likvidace musí být provedena v souladu s environmentálními normami.

RecyklaceKovy se přetaví a dostane se jim nový život, stejně jako sklo. Zbývající prvky se zahřejí na 500 stupňů. To umožňuje oddělení plastu od křemíku. Užitečné jsou také polymery a výsledné destičky se po vyčištění roztaví. Tato hmota je vhodná pro výrobu nových fotobuněk.

Takovou likvidaci provádějí centra, která recyklují kov a sklo. Na Západě je likvidace nefunkčních solárních článků odpovědností majitelů. Na tomto základě vznikl odpovídající obor podnikání. Správná likvidace solárních panelů je zároveň péčí o životní prostředí a šetřením zdrojů.

Solární energie je součástí zářivé budoucnosti

Je těžké polemizovat s tím, že sluneční energie bude v budoucnu hrát mnohem významnější roli. Slunce je jakýsi „věčný stroj“, který zvídaví badatelé dosud nevytvořili. Zbývá už jen naučit se tento dar přírody co nejefektivněji využívat.

Ve vesmíru nebude žádná přebytečná energie

Dostupnost technologií určuje rychlé zavádění solární energie do stále nových oblastí našeho života. Dokonce i děti si dokážou sestavit zařízení se solárními panely. A za pouhých 100 let se lidstvo dostalo od teoretického pochopení procesu k výkonné průmyslové výrobě s využitím této metody. Před 50 lety solární panely fungovaly ve vesmíru nebo sloužily v zařízeních s nízkým výkonem, ale dnes si bez nich lze jen těžko představit soukromý dům.

Solární energie je v současnosti velmi slibnou alternativou k tradiční energii. Slunce zatím vyrábí pouze 4 % elektřiny. Dynamika změn však nenechává nikoho na pochybách, že se solární energie již stává nedílnou součástí naší budoucnosti.