Η ηλιακή ενέργεια είναι η καθαρότερη και πιο διαθέσιμη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η σύγχρονη τεχνολογία μπορεί να αξιοποιήσει αυτήν την ενέργεια για διάφορες χρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, της παροχής φωτός και θέρμανσης νερού για οικιακή, εμπορική ή βιομηχανική εφαρμογή.
Η ηλιακή ενέργεια μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κάλυψη των απαιτήσεων ηλεκτρικής ενέργειας. Μέσω των ηλιακών φωτοβολταϊκών κυττάρων (SPV), η ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια DC. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί είτε να χρησιμοποιηθεί ως έχει είτε να αποθηκευτεί στην μπαταρία. Σε αυτό το άρθρο θα δούμε τα πάντα για την ηλιακή ενέργεια. Ας δούμε βήμα προς βήμα:
Ηλιακή φωτοβολταϊκή κυψέλη (SPV):
Ένα ηλιακό φωτοβολταϊκό ή ηλιακό στοιχείο είναι μια συσκευή που μετατρέπει το φως σε ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιώντας το φωτοηλεκτρικό εφέ. Τα SPV χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές όπως σήματα σιδηροδρόμων, φωτισμός δρόμου, οικιακός φωτισμός και τροφοδοσία απομακρυσμένων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων.
Έχει στρώμα πυριτίου τύπου ρ τοποθετημένο σε επαφή με στρώμα πυριτίου τύπου η και η διάχυση των ηλεκτρονίων συμβαίνει από το υλικό τύπου η προς το υλικό τύπου ρ. Στο υλικό τύπου p, υπάρχουν οπές για την αποδοχή των ηλεκτρονίων. Το υλικό τύπου-n είναι πλούσιο σε ηλεκτρόνια, επομένως από την επίδραση της ηλιακής ενέργειας, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από το υλικό τύπου n και στη διασταύρωση p-n, ο συνδυασμός με τις οπές. Αυτό δημιουργεί μια φόρτιση και στις δύο πλευρές της σύνδεσης p-n για τη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου . Ως αποτέλεσμα αυτού, αναπτύσσεται ένα σύστημα όπως δίοδος που προάγει τη ροή φορτίου. Αυτό είναι το ρεύμα μετατόπισης που εξισορροπεί τη διάχυση ηλεκτρονίων και οπών. Η περιοχή στην οποία εμφανίζεται το ρεύμα μετατόπισης είναι η ζώνη εξάντλησης ή η περιοχή φόρτισης χώρου που δεν διαθέτει τους φορείς κινητής φόρτισης.
Έτσι στο σκοτάδι, το ηλιακό κύτταρο συμπεριφέρεται σαν μια αντίστροφη μεροληπτική δίοδος. Όταν το φως πέφτει πάνω του, όπως η δίοδος το ηλιακό στοιχείο προς τα εμπρός προκαλεί πόλωση και το ρεύμα ρέει προς μια κατεύθυνση από την άνοδο στην κάθοδο σαν μια δίοδο. Συνήθως η τάση ανοιχτού κυκλώματος (χωρίς σύνδεση της μπαταρίας) ενός ηλιακού πλαισίου είναι υψηλότερη από την ονομαστική τάση. Για παράδειγμα, ένα πάνελ 12 volt δίνει περίπου 20 βολτ σε έντονο ηλιακό φως. Αλλά όταν η μπαταρία είναι συνδεδεμένη σε αυτήν, η τάση μειώνεται στα 14-15 βολτ. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά κύτταρα (SPV) κατασκευάζονται από εξαιρετικά υλικά που ονομάζονται ημιαγωγοί, για παράδειγμα πυρίτιο, το οποίο είναι σήμερα η πιο γενικά χρησιμοποιούμενη. Ουσιαστικά, όταν το φως χτυπά το κελί, ένα μέρος του απορροφάται μέσα στο υλικό ημιαγωγού. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια του απορροφούμενου φωτός μεταφέρεται στον ημιαγωγό.
Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά κύτταρα έχουν επίσης ένα ή περισσότερα ηλεκτρικά πεδία που ενεργούν για να αναγκάσουν τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από την απορρόφηση φωτός να ρέουν σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αυτή η ροή ηλεκτρονίων είναι ρεύμα και τοποθετώντας μεταλλικές επαφές στο πάνω και κάτω μέρος του κελιού SPV, μπορούμε να τραβήξουμε αυτό το ρεύμα για να το χρησιμοποιήσουμε εξ αποστάσεως. Η τάση κυψελών καθορίζει την ισχύ που μπορεί να παράγει το ηλιακό στοιχείο. Η διαδικασία μετατροπής του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια ονομάζεται ηλιακό φωτοβολταϊκό φαινόμενο (SPV). Μια σειρά ηλιακών συλλεκτών μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια DC. Στη συνέχεια, η ηλεκτρική ενέργεια DC εισέρχεται σε έναν μετατροπέα. Ο μετατροπέας μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια DC σε ηλεκτρικό ρεύμα 120 volt που απαιτείται από τις οικιακές συσκευές.
Ηλιακά πάνελ:
Ένας ηλιακός συλλέκτης είναι μια συλλογή ηλιακών κυψελών. Το ηλιακό πάνελ μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Το ηλιακό πάνελ χρησιμοποιεί υλικό Ohmic για διασυνδέσεις καθώς και για εξωτερικούς ακροδέκτες. Έτσι τα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται στο υλικό τύπου-n περνούν μέσω του ηλεκτροδίου στο καλώδιο που είναι συνδεδεμένο με την μπαταρία. Μέσω της μπαταρίας, τα ηλεκτρόνια φτάνουν στο υλικό τύπου p. Εδώ τα ηλεκτρόνια συνδυάζονται με τις οπές. Έτσι, όταν το ηλιακό πλαίσιο είναι συνδεδεμένο με την μπαταρία, συμπεριφέρεται σαν μια άλλη μπαταρία και και τα δύο συστήματα είναι σε σειρά όπως δύο μπαταρίες που συνδέονται σειριακά.
Η έξοδος του ηλιακού συλλέκτη είναι η ισχύς του που μετράται σε Watt ή Kilo watt. Ηλιακός συλλέκτης με διαφορετικές βαθμολογίες εξόδου είναι διαθέσιμος όπως 5 watt, 10 watt, 20 watt, 100 watt κ.λπ. Έτσι, πριν επιλέξετε το ηλιακό πάνελ, είναι απαραίτητο να μάθετε την ισχύ που απαιτείται για το φορτίο. Οι ώρες Watt ή Kilowatt χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της απαίτησης ισχύος. Κατά γενικό κανόνα, η μέση ισχύς ισούται με το 20% της μέγιστης ισχύος. Επομένως, κάθε μέγιστο κιλό watt ηλιακής συστοιχίας δίνει ισχύ εξόδου που αντιστοιχεί στην παραγωγή ενέργειας 4,8kWh / ημέρα. Δηλαδή 24 ώρες x 1 kW x 20%.
Η απόδοση του ηλιακού πλαισίου εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως το κλίμα, οι συνθήκες του ουρανού, ο προσανατολισμός του πίνακα, η ένταση και η διάρκεια του ηλιακού φωτός και οι συνδέσεις καλωδίωσής του. Εάν το φως του ήλιου είναι φυσιολογικό, ένα πάνελ 12 volt 15 watt δίνει ρεύμα περίπου 1 ampere. Εάν συντηρηθεί σωστά, ένα ηλιακό πάνελ θα διαρκέσει περίπου 25 χρόνια. Είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί η διάταξη του ηλιακού πλαισίου στην οροφή. Συνήθως είναι τοποθετημένο στραμμένο προς τα ανατολικά υπό γωνία 45 μοιρών. Χρησιμοποιείται επίσης διάταξη ηλιακής παρακολούθησης που περιστρέφει το πλαίσιο καθώς ο ήλιος κινείται από ανατολικά προς δυτικά. Η σύνδεση καλωδίωσης είναι επίσης σημαντική. Καλώδιο καλής ποιότητας με επαρκές μετρητή για τη διαχείριση του ρεύματος θα διασφαλίσει τη σωστή φόρτιση της μπαταρίας. Εάν το καλώδιο είναι πολύ μεγάλο, το ρεύμα φόρτισης μπορεί να μειωθεί. Κατά κανόνα, το ηλιακό πλαίσιο είναι τοποθετημένο σε ύψος 10-20 πόδια από το επίπεδο του εδάφους. Συνιστάται ο σωστός καθαρισμός του ηλιακού συλλέκτη μία φορά το μήνα. Αυτό περιλαμβάνει τον καθαρισμό της επιφάνειας για την απομάκρυνση σκόνης και υγρασίας και τον καθαρισμό και την επανασύνδεση των ακροδεκτών.
Το ηλιακό πάνελ έχει συνολικά τέσσερα βήματα διαδικασίας υπερφόρτωση, υπό φόρτιση, χαμηλή μπαταρία και κατάσταση βαθιάς εκφόρτισης, ας τα όλα.
Από το παρακάτω κύκλωμα, χρησιμοποιήσαμε ένα ηλιακό πάνελ, καθώς μια πηγή ρεύματος χρησιμοποιείται για τη φόρτιση της μπαταρίας B1 μέσω D10. Ενώ η μπαταρία φορτίζεται πλήρως, το Q1 πραγματοποιείται από την έξοδο του συγκριτή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το Q2 να διεξάγει και να εκτρέπει την ηλιακή ενέργεια μέσω των D11 και Q2 έτσι ώστε η μπαταρία να μην υπερφορτίζεται. Ενώ η μπαταρία φορτίζεται πλήρως, η τάση στο σημείο καθόδου του D10 ανεβαίνει. Το ρεύμα από ηλιακό πάνελ παρακάμπτεται μέσω D11 και του MOSFET αποστράγγισης και πηγής. Ενώ το φορτίο χρησιμοποιείται από τη λειτουργία διακόπτη, το Q2 παρέχει συνήθως μια διαδρομή προς το αρνητικό ενώ το θετικό συνδέεται με το dc μέσω του διακόπτη σε περίπτωση υπερφόρτωσης. Η σωστή λειτουργία του φορτίου σε κανονική κατάσταση υποδεικνύεται ενώ το MOSFET Q2 διεξάγει.
Εφαρμογή ηλιακής ενέργειας:
Από το παρακάτω κύκλωμα, για τον έλεγχο της έντασης οι λαμπτήρες LED μπορούν να τροφοδοτηθούν με διαφορετικό κύκλο λειτουργίας από μια πηγή DC. Η έννοια του ελέγχου έντασης βοηθά στην εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα LED χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με κατάλληλα τρανζίστορ οδήγησης από τον μικροελεγκτή κατάλληλα προγραμματισμένα για πρακτική εφαρμογή.
Προκειμένου να αποδειχθεί το ίδιο από μια πηγή 12v dc 4 LED σε σειρά κάνει μια συμβολοσειρά με 8 * 3 = 24 χορδές συνδέονται σε σειρά με ένα MOSFET που λειτουργεί ως διακόπτης. Το MOSFET θα μπορούσε να είναι IRF520 ή Z44. Κάθε LED είναι ένα λευκό LED και λειτουργεί στα 2.5v. Έτσι, 4 LED σε σειρά χρειάζονται 10v. Επομένως, μια αντίσταση συνδέεται με 10ohms, 10watt σε σειρά με τα LED όπου η τάση ισορροπίας πέφτει από 12v περιορίζοντας το ρεύμα για ασφαλή λειτουργία των LED.
Για παράδειγμα, οι λυχνίες LED που χρησιμοποιούνται για τους φωτεινούς σηματοδότες ανάβουν το σούρουπο με πλήρη ένταση έως τις 11 μ.μ. με 99% σωστό κύκλο για τον οδηγό, δηλαδή 1% κύκλο λειτουργίας από τον ελεγκτή. Με κάθε ώρα να προχωράει από τις 11 μ.μ. ο κύκλος λειτουργίας των LED μειώνεται σταδιακά από 99%, έτσι ώστε μέχρι το πρωί ο κύκλος λειτουργίας ON να φτάνει στο 10% από 99% και τελικά στο μηδέν, σημαίνει ότι τα φώτα σβήνουν από το πρωί, δηλαδή από την αυγή μέχρι το σούρουπο. Η λειτουργία επαναλαμβάνεται ξανά από το σούρουπο με πλήρη ένταση έως τις 11:00 από τις 18:00 και στις 12 μεσάνυχτες είναι 80% κύκλος λειτουργίας, 1'o ρολόι 70%, 2'o ρολόι 60%, 3'o ρολόι 50%, 4'o ρολόι 40% και ούτω καθεξής έως και 10% και τελικά OFF στην αυγή.
Η ένταση LED αλλάζει ανάλογα με τη διαμόρφωση του πλάτους παλμού, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
