太阳能电池板的构成原理
了解太阳能电池板的工作原理，并解开太阳能工作原理的奥秘。我们将讨论不同类型的太阳能电池板、太阳能的工作原理、不同的家庭太阳能电池板、太阳能电池板的效率以及深入探讨太阳能电池的工作原理。为什么这里有水晶，而这个没有？太阳能电池板是如何工作的？让我们来了解一下。
太阳能电池板将光转化为电能。它们是光伏的，意思是光和电压。
它适用于阳光或人造光。
拿一个小型太阳能电池，设置万用表，连接引线并将其暴露在一些光线下。我们立即看到电压产生。光线越强，产生的电力就越多。
但是，这可以逆转吗？
如果我们将太阳能电池连接到电源，它会产生红外光。人眼看不到这一点，但是如果我们拿起相机并取下滤镜;然后我们可以看到光是从细胞中产生的。
光基本上只是许多称为光子的粒子。太阳能电池吸收这些光子。当它们撞击太阳能电池时，它们会将另一个称为电子的粒子从太阳能电池中敲出，留下一个洞。这就是光伏效应。我将在本文后面详细解释它是如何工作的。
但是，空穴漂移到底部，电子被拉入顶层。
电子被吸引到空穴上，类似于磁铁的两端吸引的方式。如果我们使用导线提供一条路径，电子将流过它以返回空穴。我们在路径中放置诸如LED之类的东西，这样电子就必须流过它们，从而发光。这意味着它发射光子。
那么，如果LED发射光子，而太阳能电池吸收光子，那么LED本身能供电吗？
您可能已经在计算器或花园灯上看到过太阳能电池，它们通常用于房车和船只。我们在房屋上看到它们，甚至在田野里的巨大太阳能电池板上看到它们。
阵列只是连接在一起的多个太阳能组件串。
一串只是连接在一起的多个太阳能组件
太阳能模块只是连接在一起的多个太阳能电池。
要制造基本的太阳能电池，我们从金属导电板开始，形成正极。
在此之上，我们发现了一个薄薄的硅层。这是我们的半导体材料。通常，这包括底部的一层硅硼混合物和顶部的一层硅磷。它们之间的接头称为 PN 结。
在硅的顶部，我们有一个抗反射涂层。
然后在上面放置一个金属网格，这是我们的负极。细条称为手指，较粗的条称为母线。我们通常会在上面覆盖一层玻璃保护层，因为太阳能电池非常薄，很容易破裂，因此我们需要保护它们。
这个微小的电池在最边缘有母线。这个是从中间穿过的。这些大的中间有多个母线。它们都有手指伸过硅来收集自由电子。这些电子将沿着手指流动，然后在母线中聚集并一起流动。
我们需要尽可能多的光才能进入硅，因此金属导体需要尽可能薄。更多的手指更容易收集电子，但它也会阻挡光线。
硅材料是有光泽的，这意味着光被反射掉了。因此，抗反射涂层有助于减少这种情况，但有些总是会被反射。
我们还发现了具有这种粗糙表面的细胞。这有助于捕获一些反射光并将其引导回太阳能电池。
这些电池中的每一个仅产生 0.5 伏特。但是电池越大，它能产生的电流就越大。
为了制造太阳能组件，我们有一个坚固的背板，上面有一层EVA粘合剂，然后将太阳能电池粘在上面并连接在一起。另一层EVA薄膜位于其上，然后是一层玻璃，最后是框架。在背面，我们有连接到电池的电气连接。EVA封装太阳能电池，使它们免受水分和机械应力的影响，这些湿气和机械应力会随着时间的推移而降解材料。
看看太阳能组件，一个电池的顶部连接到下一个电池的底部，这增加了电压。看看这个单元内部，我们有两个电池，都产生 0.5 伏特。如果我们仔细观察，我们可以看到电池重叠并连接形成串联连接，末端穿过我们找到电气端子的背面。
小型模块使用 36 节电池，可产生大约 18-19.8 伏的电压，非常适合为 12 伏电池充电，因为我们需要比电池更高的电压来充电。因此，我们经常发现这些用于离网系统。
但大多数住宅设施都是并网的，并使用 60 或 72 个电池模块。
商业安装通常使用 60、72 或 96 单元模块，有些甚至可能更大。
当我们串联电池时，电压加在一起，但电流保持不变。该模块使用 60 个电池，每个电池提供大约 0.5 伏和 8 安培的电流。因此，它产生大约 30 伏和 8 安培的电流。这为我们提供了 240 瓦的功率。
如果我们串联其中的 4 个模块，我们将获得 120 伏和 8 安培。电压相加，但电流保持不变。这给了我们 960 瓦。
但是如果我们并联 4 个，我们会得到 30 伏和 32 安培。电压相同，但电流加在一起。这也给了我们 960 瓦。
我们经常使用串联并联的组合。这些模块连接到充电控制器和逆变器。它们具有最大和最小电压和电流来工作。例如，这个可能是 100 到 150 伏和 25 安培。我们的模块串有 120 伏和 8 安培，因此我们不能添加另一个串联的串，因为我们会超过电压限制。
因此，我们将两个字符串并联。给我们 120 伏特和 16 安培。
该系统可以独立使用，也可以并网连接。
我们可以使用太阳能电池板直接为负载供电。但是，它只有在暴露在光线下时才起作用。例如，这个太阳能风扇在暴露在光线下会自动打开。光线越亮，旋转得越快。但是，它在晚上不起作用。
因此，我们需要一个电池来储存能量。它在白天充电，然后我们可以在晚上使用它。这就是这个非常简单的电池充电器的工作原理。
但是，电压和电流会发生变化，并且太阳能组件可能会对电池过度充电，从而损坏电池。在夜间，电池可以通过太阳能电池板放电。因此，我们使用充电控制器将它们分开。
现在，当阳光普照时，控制器会为电池充电。我们可以打开一盏灯，控制器将电力发送到负载，任何多余的能量都会为电池充电。在夜间，控制器可以保护太阳能电池板免受电池的影响，但仍允许我们使用电池中存储的能量。这就是这些太阳能手机充电器的工作原理。
从这盏简单的庭院灯中可以看出，在里面，我们只有一个太阳能电池连接到一个基本的充电控制器，它将电池和LED分开。太阳能电池为电池充电，当充电停止时，灯通电。我们还可以使用开关控制灯光。
太阳能电池板和电池提供直流电。如果我们将这个万用表连接到电池，我们会看到一个恒定的扁平线电压。那是因为电子朝一个方向流动，就像水流沿着河流流动一样。
我们可以用它来为小型直流电机、灯和 USB 设备供电。非常适合房车和船只。
但是我们的许多电器都需要交流电，其工作方式不同。如果我连接到这个电源插座，我们有一个波形模式。电子来回流动。它是交替的方向。就像大海的潮汐一样，流进流出。
为了给这些设备供电，我们需要一个逆变器，这会将直流电转换为交流电。
在内部，我们基本上只有一些电子开关，它们可以非常快速地打开和关闭以控制电子的路径。
但是使用逆变器允许我们同时使用该系统的交流和直流设备。
但是，如果不充电，电池将耗尽能量。
因此，对于家庭和商业设施，我们经常连接到电网。
在一个简单的系统中，我们只需将太阳能电池板连接到逆变器，这为断路器面板和物业中的交流负载供电。电网也通过仪表连接到面板，因此逆变器必须与电网同步。在夜间，没有太阳能产生，所以我们从电网购买电力。在阳光明媚的日子里，太阳能电池板足以为家中的一些物品供电，并且没有电通过电表。在阳光明媚的日子里，面板提供的移动能量比我们在家中使用的能量要多，因此多余的能量被出售给电网。这是净计量。
更先进的系统将使用需要充电控制器的电池组。太阳能模块将为电池充电并为电器供电。当电池充满电时，多余的电力被卖回电网。在夜间，电池为房屋供电，直到用完为止。此时，需要从电网购买电力。在停电的情况下，电池将为家庭供电，直到它们耗尽。在白天，他们会充电。
太阳能发电场将有多排太阳能电池板，产生更高的电压。然后，这些将组合并连接到一个大型逆变器中，然后馈入变电站。在这里，电压增加，然后输出到电网。
太阳能的问题在于太阳一直在移动。它每天都从东向西移动，夏天它在天空中很高，但在冬天它在天空中很低。假设你在北半球。
太阳能电池板在垂直于太阳时效果最佳。我们可以用手电筒看到这里的光线最强，但当它倾斜时，光线会散布在更大的区域，因此强度较低。
理想情况下，我们只是用太阳移动太阳能电池板，但这既困难又昂贵。因此，我们需要评估该纬度上太阳的高度和方位角的位置，然后检查是否有任何阴影，然后为模块选择最佳方向和倾斜角度。这涉及大量的数据表和数学运算，非常耗时。
但是，通过我们的赞助商PVcase，您可以使用他们基于AutoCAD的下一代光伏软件模拟实际位置，该软件结合了3D地形数据点，因此您可以对设计以及电缆布线路线和电缆桥架进行原型设计，并评估逆变器的位置。穿线和布线可以自动或手动设计。
通过他们的阴影分析，您可以找到并删除阴影模块，以确保最佳的阳光照射设计，甚至可以并排比较不同的设计，当然，您可以导出项目。您可以设计地面和商业或工业屋顶安装项目。
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您可能已经注意到太阳能电池看起来不同。有晶体型和薄膜型。
最常见的一种是多晶电池。它通常有这些蓝色薄片，虽然我们可以得到其他颜色，比如这个祖母绿版本，但颜色取决于抗反射涂层。这些薄片是单独的硅晶体。Poly 的意思是“许多”，crystalline 的意思是“晶体”。它们看起来很漂亮，但每个晶体都是一组独立的原子，方向不同。晶体的边界是缺陷，它们会降低电池的效率。
这些在业余电子产品、太阳能产品以及太阳能电池板中非常常见。它们相对便宜，但效率约为 13-17%。
为了制造它们，我们基本上取了一些硅砂和一些碳，如煤，然后在电弧炉中熔化，它冷却并形成大块的原硅。这是我手中的一块原始硅。它的重量非常轻，你可以看到它非常闪亮。你可以在这里购买它们。
这些块被粉碎成粉末，与氯化氢混合并煮沸成气体。气体被蒸馏以去除杂质，然后进入反应器并缓慢聚集在棒表面形成纯硅。纯硅棒被打碎、熔化和冷却以形成铸锭块。当材料冷却时，原子结合并形成晶体。然后将这些块切成薄片并用作太阳能电池。
这是一个单晶电池，它是刚性的，通常呈黑色或非常深的蓝色，没有可见的晶体。Mono 的意思是一个。原子形成一个非常有序的结构。
单晶的效率更高，约为 15-19%，但由于它更精炼，生产成本也更高。
将纯硅块放入坩埚中并熔化。将晶种放入其中，硅原子粘附在上面，慢慢提取并冷却形成锭。在这个过程中，原子完美地构建了自己，形成了一个巨大的晶体。然后将铸锭切成块，然后切成薄片。形成太阳能电池。
我们也可以得到薄膜类型，这种单晶版本是灵活的，这种多晶版本也是如此。它们通常用于货车和船只的弧形车顶。它的寿命较短，效率较低。
这盏庭院灯和这个计算器使用具有棕色的薄膜非晶硅。原子具有随机结构，没有确定的模式。
这些产品的生产成本非常低，但效率只有 5-8% 左右。
当我们谈论效率时，我们指的是来自太阳的能量以及转化为电能的能量。能量以波浪形式传播。这些波的大小各不相同，从微小但高能的伽马射线到大的低能无线电波。但它的大部分发射能量都在紫外线、可见光和红外线区域。
可见光谱是人眼能看到的。波长决定了眼睛将看到的颜色光。
如果我们用空间中的波长来测量单位面积的能量，我们会看到这样的曲线。但在海平面上，它看起来更像是这样，因为大气层吸收并偏转了一些能量。
请记住，在太阳能电池内部，我们需要一个光子来敲击硅原子上的电子。
我们使用硅，因为外价带中的电子只需要接收大约 1.1 电子伏特即可跳到导带并脱离原子。
这相当于一个波长约为 1,127 纳米的光子。这是在光谱上。因此，任何超过此长度的波长都不能用于用这种材料发电。但是可以使用低于此值的所有波长。
然而，这些波长的能量比需要的要多，因此多余的能量被加热太阳能电池浪费掉了。
因此，实际上只剩下大约30%的能量可以用来用硅发电。其中一些能量将被反射掉，太阳能电池板上的灰尘和污垢也会阻挡一些能量，此外，随着太阳能电池因浪费的能量而升温，它们的效率会降低。
在我们产生所有这些能量之后，我们也会从逆变器和电线中损失能量。
所以这个红色 LED 不能自行供电。它的波长约为 705 纳米米，提供 1.75 电子伏特。我们只需要 1.1，其余的能量将作为热量浪费掉。
为了产生这种光，我们消耗了 4 毫瓦，其中只有大约 10% 被转换回电能。因此，我们需要大约 10 个 LED 来为 1 个 LED 供电。
我在这里试了一下，9 个 LED 刚好足以产生光。
LED 也使用硅。二极管也是如此。太阳能电池基本上是一个巨大的扁平 LED，反向工作。我们实际上可以将光照射到LED中，它会产生电压。
在这里查看我们的 LED 视频，了解它们的工作原理。
当我们观察硅原子时，它们有 14 个电子，其中 4 个在其最外层，称为价壳层。当硅原子在价壳层中有 8 个电子时，它们最稳定，但它们只有 4 个。因此，他们将与每个邻居共享一个电子来实现这一目标。
自由电子和空穴从何而来？
对于电子，我们在一侧添加一些磷，因为它在最外层有 5 个电子。其中 4 个将被共享，现在有 1 个备用电子可以自由移动。
对于空穴，我们在另一侧添加一些硼，因为它在最外层只有 3 个电子。没有足够的电子可以共享，所以现在有一个电子可以占据的空穴。
我们现在有一个电子太多的层，还有一个没有足够的电子的层。这连接起来形成 PN 结。N代表负电，因为电子带负电。P 代表正极，因为孔因此被认为是带正电的。
在这个交界处，我们得到一个耗尽区域。一些电子穿过，一些空穴也穿过。但这会形成一个带轻微正电的区域和一个带轻微负电的区域的屏障。
这会产生一个电场，阻止更多的电子或空穴移动。这就是形成耗尽区的原因，那里没有自由电子或空穴。
当光线照射在太阳能电池上时，光子穿透薄薄的N型层并到达PN结。如果光子有足够的能量，它可以将该区域的原子上的电子敲掉，使其自由并留下一个电子空穴。请记住，在这个耗尽区域中不能存在自由电子或空穴，因此电场将自由电子拉入 N 型层。
原子共享电子，因此另一个原子将从P型层移动以填充空穴，但这只会在它后面留下另一个空穴。这也很快被填满，因此孔通过P型层向下漂移。
大量的电子和空穴在端子处的两种材料中积聚，这会导致正电荷和负电荷的积聚，这就是产生电压的原因。
自由电子被吸引到电子空穴上。把它们想象成磁铁的两端，被吸引在一起。
因此，如果我们提供一条路径，电子将流过导线到达太阳能电池的另一侧，在那里它可以与空穴重新结合。
照射到太阳能电池上的光将导致大量电子挣脱，这些电子都流过导线并产生电流。一旦光线照射到太阳能电池上，电子就会不断流动。因此，我们产生了直流电。这就是太阳能电池的工作原理。
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