Koliki je životni vek solarne baterije?

Šta utiče na životni vek baterije?

Ciklus baterije je jedan krug kompletnog punjenja i pražnjenja. Obično se pod time podrazumeva pražnjenje sa 100% na 20% i punjenje nazad na 100%. Medjutim ponekad se ciklus može meriti i do druge vrednosti recimo 10% ili 50% su takodje često korišćene vrednosti. Prilikom gledanja broja predvidjenih ciklusa u specifikaciji odredjene baterije obratite pažnu i na podatak do kog procenta se prazni baterija prilikom ciklusa.

Na slici je prikazan generalan grafikon koji uopšteno prikazuje odnos broja ciklusa i dubine pražnjenja baterije. Svaka baterija ima svoj specifičan grafikon koji pokazuje tačan odnos za konkretnu bateriju.

Životni vek baterije je u direktoj povezanosti sa time koliko se duboko baterija prazni i puni prilikom svakog ciklusa. Ukoliko se baterije prazne 50% svaki dan, trajaće duplo duže nego ukoliko se svaki dan prazne do 80%. Ukoliko se prazne do 10%, trajaće otprilike pet puta duže nego ukoliko se prazne do 50%. Očigledno ovo ima nekih praktičnih limita, naravno neželite da imate 5 tona baterija koje vam zauzimaju ogroman prostor samo da bi im povećali radni vek. Najpraktičnije je tj. najbolji odnos dubine pražnjenja baterije i životnog veka baterije je kada se baterija prazni do 50%. To ne znači da povremeno ne možete isprazniti bateriju i do 80%.

Uticaj temperature na baterije 

Kapacitet baterije (koliko Ah može da drži) se smanjuje ukoliko se smanjuje temperatura, a povećava ukoliko raste temperatura. Zbog toga vaš automobilski akumulator crkava tokom hladnog zimskog jutra, iako je dan prethodno popodne radio normalno. Ukoliko vaše baterije provode deo godine na hladnoći, kapacitet koji se gubi mora biti uračunati prilikom proračuna potrebnog kapaciteta baterija. Standardne karakteristike važe za uslove sobne temperature 25 stepeni. Na približno -27 stepena kapacitet baterije opada na 50%. Prilikom zamrzavanja, kapacitet opada za 20%. Kapacitet se povećava pri većim temperaturama na 50 stepeni kapacitet će biti otprilike 12 puta veći.

Napon za punjenje baterija će se takodje menjati sa promenom temperature. Variraće od 2.74V po ćeliji (16.4V) na -40 stepeni do 2.3V po ćeliji (13.8V) na 50 stepeni.Ovo je razlog zbog kog bi vaš kontoler punjenja trebao da ima u sebi uredjaj za kompenzaciju temperature.

Iako je kapacitet baterije na višim temperaturama veći, životni vek baterija se smanjuje. Kapacitet baterije se smanjuje 50% na -30 stepeni, ali se životni vek baterije povećava za 60%. Životni vek baterija se smanjuje na višim temperaturama, ovo važi za sve tipove olovnih baterija bez obzira da li su gel, AGM ili baterija sa tečnim elektrolitom.

Pročitajte i naš tekst o baterijama koje se koriste u solarnim sistemima.

Koje baterije se koriste u solarnim sistemima?

Šta je baterija?

Beterija može biti, u principu, bilo koji uredjaj koji čuva energiju za kasniju upotrebu. Kamen, podignut na vrh planine, može se smatrati nekom vrstom baterije, pošto je energija koja je utrošena da bi se kamen podigao na vrh planine (energija iz mišića) konvertovana i sačuvana kao potencijalna kinetička energija na vrhu planine. Kasnije, ta energija se oslobadja kao kinetička i toplotna energija kada se kamen skotrlja niz brdo. Složićete se da ovo nije previše praktično za korišćenje u svakodnevnom životu.

U svakodnevnoj upotrebi reč baterija koristimo za elektro-hemijski uredjaj koji konvertuje hemijsku energiju u električnu, pomoću galvanske ćelije. Galvanska ćelija je prilično jednostavan uredjaj koji se sastoji od dve elektrode različitih metala ili metalnih jedinjenja (anode i katode) i elektrolita (obično kiselina, ali ima i alkalnih). Baterija se dobija spajanjem dve ili više ovih galvanskih ćelija.

Dakle, baterije su uredjaji za skladištenje električne energije. Baterije ne prave električnu energiju, one je skladište, kao što bure za vodu skladišti vodu za kasniju upotrebu. Kako se hemijske reakcije u bateriji menjaju, električna energija se skladišti ili ispušta. U punjivim baterijama ovaj proces može biti ponovljen mnogo puta. Baterije nisu 100% efikasne – deo energije se izgubi u zagrevanju i hemijskim reakcijama prilikom punjenja i pražnjenja. Ako koristite bateriju od 1000W, trebaće vam 1050W ili 1250W ili više da bi je potpuno napunili.

Skoro sve punjive baterije su napravljene od olova (ima i NiCad baterija ali su uglavnom mnogo skuplje). Nekoliko vrsta Litijum-jonskih se pojavljuje na tržištu, ali je njihova cena dosta veća i nemaju svi punjači baterija prilagodjene programe za punjenje ovih baterija.

Vrste baterija

Baterije se dele na dva načina, po nameni i po konstrukciji (kako i od čega su napravljene).

Glavna podela po nameni je na: automobilske, brodske, baterije dubokog pražnjenja. Baterije dubokog pražnjenja se koriste u solarnim sistemima. 

Po konstrukciji se dele na: baterije sa tečnim elektrolitom (klasični akumulatori), gel baterije i AGM baterije.

Baterije sa tečnim elektrolitom su najčešće baterije koje su danas u upotrebi. Najrazličitijih su kapaciteta i oblika, i prave se za najrazličitije namene. Najčešće ih srećete kao automobilske akumulatore.

GEL i AGM baterije zajedno spadaju u grupu VRLA baterija. To su baterije koje su zatvorene, ali ne hermetički, i imaju takozvanu rekombinaciju kiseonika i vodonika unutar ćelija.

GEL baterije koriste gel kao elektrolit. Gel je na bazi silicijum-dioksida. GEL baterije su fleksibilnije za upotrebu od baterija sa tečnim elektrolitom ali nemaju fizičku snagu i izdržljivost AGM baterija. Velika prednost ovih baterija je odlična otpornost na hladnoću.

AGM baterije su najnoviji iskorak u evoluciji olovnih baterija. Umesto gela, AGM baterije koriste fiberglas kao razdvajač kako bi zadržali elektrolite na mestu. Ove baterije su otporne na okretanje, prevrtanje i moguće ih je montirati u bilo kojem položaju. AGM baterije su najotpornije na vibracije i udare.

Automobilske (startne) baterije se koriste za pokretanje motora. Za startovanje motora je potrebna velika startna struja u malom vremenskom periodu. Automobilske baterije imaju vek trajanja od odprilike 30-150 ciklusa dubokih pražnjenja, dok mogu trajati hiljadama običnih ciklusa paljenja automobila prilikom kojih se isprazne od 2-5%.

Brodske baterije su obično „hibridne“ i nalaze se negde izmedju automobilskih i baterija sa ciklusom dubokog pražnjenja.

Baterije sa ciklusom dubokog pražnjenja, su dizajnirane da daju stabilanu stuju tokom dužeg vremenskog perioda i da se povremeno isprazne i do 80%. Baterije sa ciklusom dubokog pražnjenja imaju manju startnu snagu u odnosu na automobilske baterije. Iako ove baterije mogu da se isprazne i do 80%, najbolji odnos veka trajanja baterije i cene se dobija ukoliko se baterija prazni do 50%.

Baterije sa ciklusom dubokog pražnjenja kao automobilske baterije?

U principu ovo je moguće, akumulator sa ciklusom dubokog pražnjenja se neće oštetiti ako se bude koristio kao automobilski akumulator.  Ali akumulator sa ciklusom dubokog pražnjenja iste veličine kao automobilski akumulator nema istu startnu snagu, slabiji je a uz to je i skuplji. Ukoliko se baterija sa ciklusom dubokog praznjenja koristi kao automobilska baterija onda ona treba biti za nijansu jača nego obična automobilka baterija kako bi se iz nje mogla povući dovoljna startna snaga. Ukoliko se stavi baterija sa dubokim pražnjenjem iste snage kao obična automobilska baterija, doćiće do oštećenja baterije.

Baterije koje se koriste u solarnim sistemima

U solarnim sistemima se koriste baterije sa ciklusom dubokog pražnjenja, koje po konstrukciji mogu biti i baterije sa tečnim elektrolitom, GEL ili AGM baterije. Automobilske baterije nisu prilagodjene za upotrebu u solarnim sistemima, gde je potrebno da baterije dugo i konstantno daju struju. Automobilske baterije imaju veliku startnu snagu u kratkom vremenskom periodu i ukoliko bi se koristile u solarnom sistemu, gde se baterije povremeno prazne io do 80% svoga kapaciteta, njihov radni vek bi se drastično smanjio.

Životni vek baterija

Životni vek baterija sa ciklusom dubokog pražnjenja će značajno varirati u zavisnosti kako se koristi, kako se održava i puni, temperature i drugih faktora. Evo nekih podataka o očekivanom životnom veku različitih tipova baterija ukoliko se koriste kao baterije u solarnim sistemima:

- Automobilski akumulator 3-12 meseci

- Brodski akumulator 1-4 godina

- AGM baterija sa ciklusom dubokog pražnjenja 2-6 godina

- GEL baterija sa ciklusom dubokog pražnjenja 2-8 godina

- Baterije sa tečnim elektrolitom sa ciklusom dubokog pražnjenja 1-4 godina

Prednosti AGM baterija u odnosu na GEL baterije i baterije sa tečnim elektrolitom

Elektolit AGM baterija neće iscureti čak ni ukoliko je baterija slomljena. Ovo donosi veliku prednost u transportu, smanjuje cenu transporta. Pošto nema tečnosti koja se smrzava i širi, praktično su otporni na oštećena od hladnoće.

Naponi punjenja ovih baterija su isti kao i naponi za punjenje standardnih baterija, tako da nema potrebe za nekim specijalnim podešavanjima ili nekompatibilnim punjačima. Unutrašna otpornost ovih baterija je veoma mala, tako da skoro da ni nema zagrevanja baterije.

AGM baterije imaju jako malo samo-pražnjenje otprilike izmedju 1-3% mesečno.

Prednosti GEL baterija u odnosu na AGM baterije i baterije sa tečnim  elektrolitom

GEL baterije imaju najveću otpornost na hladnoću, sto je veoma bitno u vremenskim zonama gde su zime veoma hladne. 

GEL baterije imaju najduzi životni vek.

Kako najefikasnije smanjiti račun za električnu energiju

Mrežni fotonaponski sistemi se koriste kada želite da smanjite račun za električnu energiju, instaliranje ovakvog sistema je najefikasniji način da se to ostvari.

Mrežni fotonaponski sistem čine solarni paneli i mrežni invertor. Da bi ovaj sistem bilo moguće instalirati, objekat mora biti prethodno priključen na elektrodistributivnu mrežu. Ova vrsta sistema se vezuje direktno na kućnu instalaciju bez ikakve potrebe za adaptacijom instalacija. Prilikom instalacije ovakvih sistema mrežni invertor koji se ugradjuje se sinhronizuje sa elektrodistributivnom mrežom. Smisao ovakvog sistema je smanjenje vašeg mesečnog računa za električnu energiju. Sva proizvedena solarna električna energija odlazi na vašu kućnu potrošnju, dok višak proizvedene električne energije odlazi u elektrodistributivnu mrežu.

Tokom dana, kada solarni paneli proizvode električnu energiju možete trošiti svu energiju koju ovakav sistem proizvodi, bez brige o tarifnim zonama, jeftinoj i skupoj struji, jer vi trošite električnu energiju koju proizvodi vaš mrežni solarni sistem. U slučaju da vaš solarni sistem neproizvodi dovoljno električne energije za vaše potrebe, taj nedostatak se nadomešćuje energijom iz elektrodistributivne mreže. Dakle praktično, plaćate samo energiju koju povučete iz elektrodistributivne mreže, a to je uglavnom električna energija koju potrošite tokom noći i električna energija koju povučete iz elektrodistributivne mreže kada je vaša potrošna veća od vaše proizvodnje solarne električne energije.

Mrežni fotonaponski sistemi su jeftiniji, manje zahtevniji i dugotrajniji u odnosu na stand-alone sisteme. Ogromne prednosti ovog sistema u odnosu na stand-alone sistem je nepostojanje solarnih baterija, koje su jako skupe i imaju relativno kratak životni vek. Takodje nema prepravki električnih instalacija, što takodje značajno smanjuje troškove. Održavanje praktično ni nepostoji, očekivani radni vek solarnih panela je oko 25 godina a mrežnog invertora više od 10 godina što ovakvu vrstu sistema čini veoma dugovečnim.

Jedini nedostatak ovakvih sistema je zavisnost od elektrodistributivne mreze, u slučaju kada na elektrodistributivnoj mreži nestane struje nećete imati struje jer je mrežnim invertorima potrebno prisustvo mreže zbog sinhronizacije.

Postoje monofazni i trofazni mrežni fotonaponski sistemi. Da li ćete instalirati monofazni ili trofazni sistem zavisi od vašeg mrežnog priključka(dal je monofazni ili trofazni). U slučaju da imate trofazni priključak možete odabrati dal ćete instalirati monofazni ili trofazni sistem, dok u slučaju da imate monofazni priključak možete instalirati samo monofazni sistem.

Solarni kolektori

Solarni kolektori. Vakumski kolektori ili pločasti kolektori?

Šta je solarni kolektor?

Solarni kolektori koriste energiju sunca kako bi generisali toplotu (ne električnu energiju) koja kasnije može biti iskorišćena da se zagreje voda za tuširanje, grejanje prostorija, neke industrijske procese.

Solarna energija je najveći izvor energje na planeti, obezbedjuje energiju za rast biljaka (fotosintezu) i obezbedjuje toplotu koja stvara pogodne uslove za zivot na našoj planeti.

Iako se uredjaji za solarno grejanje vode koriste već 100nak godina, u zadnjih 20 godina značajno je napredovala   tehnologija apsorbujućeg sloja, što je dovelo do toga da današnji solarni kolektori mogu efikasno konvertovati >50% dostupne sunčeve energije za zagrevanje tople vode. Solarni kolektor je jedan od najefikasnijih načina za smanjivanje ekološkog otiska (emisije ugljen-dioksida), smanjivanjem oslanjanja na fosilna goriva. Ugradnjom solarnog kolektora, smanjićete potrošnju električne energije ili gasa, što će dovesti i do značajnih smanjenja računa.

Vakuumski solarni kolektori kombinuju visoke performanse vakumskih cevi sa kapacitetom brzog prenosa toplote grejnih cevi, kako bi obezbedili kolektor koji može efikasno da radi u svim klimatskim uslovima i obezbedjuje dovoljne količine vode.

Pločasti solarni kolektori su najčešći i najzastupljeniji tip solarnih kolektora za upotrebu u domaćinstvu. Dizajn je jako jednostavan, izolovana kutija sa apsorberom koji je zavaren za bakarnu cev kroz koju protiče tečnost za transfer toplote.

Vakuumski solarni kolektor ili pločasti solarni kolektor?

Kako  odabrati izmedju vakuumskog solarnog kolektora i pločastog solarnog kolektora? Tabela prikazuje osnovno poredjenje.

Poredjenje	Vakuumski solarni kolektor	Pločasti solarni kolektor	komentar
Cena kolektora	umerena	niska	Porediti samo cenu kolekora nije preterano korisno. Cena ugradnje i očekivani godišnji energetski prihod, trebaju biti uzeti u obzir prilikom donošena odluke.
Cena ugradnje	umerena	visoka	Ugradnja pločastog kolektora može biti skuplja zbog potrebe za hidrauličnom dizalicom prilikom ugradnje, pošto su pločasti kolektori veoma teški.
Težina kolektora	lagan	težak	Vakuumski solarni kolektori su lagani i mogu se podići pomoću merdevina. Pločasti solarni kolektori su veoma teški i za montiranje je potrebna dizalica za podizanje.
Rad u sistemima sa niskim temperaturama	dobar	dobar	Pločasti solarni kolektori su pogodni za grejanje vode u domaćinstvima (<60C) pošto gubitci toplote na višim temperaturama rezultuju lošom efikasnošću konverzije solarne energije.
Rad u sistemima sa visokim temperaturama	dobar	loš	Vakumski solarni kolektori su pogodni kako za upotrebu u domaćinstvima tako i za industrijsku upotrebu u sistemima sa visokim temperaturama (<120C) zbog visoke efikasnosti konverzije solarne energije čak i pri visokim temperaturama.
Rad po hladnom vremenu	dobro	loše	Pločasti solarni kolektori loše rade u hladnim vremenskim uslovima. Vakuumski solarni kolektori rade dobro i u hladnim vremenskim uslovima.
Vertikalna orijentacija	da	da	I vakuumski solarni kolektori i pločasti solarni kolektori mogu biti postavljeni vertikalno orijentisani, ali treba obratiti paćnju na to da vakumski solarni kolektori zahtevaju i ugao od 20-80 stepeni.
Horizontalna orijentacija	ne	da	Vakuumski solarni kolektori mogu biti postavljeni samo sa orijentacijom cevi gore-dole, ne i levo-desno. Pločasti solarni kolektori mogu biti postavljeni bilo kako.
Ugao postavljanja	20-80 stepeni	0-90 stepeni	Vakuumski solarni kolektori moraju biti postavljeni pod uglom od 20-80 stepeni kako bi se osigurao optimalan rad grejnih cevi. Pločasti solarni kolektori mogu biti postavljeni pod uglom od 0-90 stepeni, iako ovo nije idealno zbog izloženosti suncu, pošto bi ugao trebao da bude što približniji geografskoj širini.
Otpornost na grad	umerena	visoka	Vakuumski i pločasti solarni kolektori mogu izdržati udare grada veličine >25mm prečnika, medjutim pločasti solarni kolektori su jači.
Mogućnost popravke	da	ne	Ukoliko je vakumski solarni kolektor oštećen usred udara grada ili pada grane, pojedinačna tuba se može zameniti. Ukoliko se pločasti solarni kolektor ošteti, mora se ceo zameniti.
Otpornost na kamenac	dobra	loša	Zbog malog prečnika bakarnih cevi koje se koriste u pločastim solarnim kolektorima, kamenac može lakse blokirati ove cevi nego u vakumskim solarnim kolektorima koji koriste cevi većih prečnika.

Kako rade solarni paneli

Uvod

Verovatno ste videli digitrone sa solarnim panelima – uredjaje kojima nikada nije potrebna baterija i koji u nekim slučajevima nemaju čak ni dugme za paljenje i gašenje. Dokle god ima dovoljno svetlosti, oni izgledaju kao da mogu da rade večno. Takodje ste verovatno videli veće solarne panele, možda na znakovima pored puta, govornicama ili za osvetljenje na parkinzima. Solarna energija omogućava ovim uredjajima da rade.

Iako veći solarni paneli nisu zastupljeni poput digitrona na solarnu energiju, oni su tu i nije ih toliko teško primetiti ako znate gde da ih tražite. Zapravo, solarni paneli - koji su se nekada koristili gotovo isključivo u svemiru, za snadbevanje energijom električnih sistema još od 1958. godine se počinju koristiti i na manje egzotičnim mestima. Tehnologija nastavlja da napreduje i da se ugradjuje u nove uredjaje non-stop, od naočara do električnih vozila koja se pokreću solarnom energijom.

Nada u „solarnu revoluciju“ je u vazduhu već decenijama, ideja je da ćemo jednog dana koristiti besplatnu energiju od Sunca. Ovo je izazovna ideja, jer tokom sunčanog dana, sunčevi zraci daju približno 1000W energije po kvadratnom metru na površini zemlje. Ako bi mogli sakupiti svu tu energiju, mogli bi lako snadbeti domove i kancelarije besplatnom energijom.

U ovom blogu, ispitaćemo solarne ćelije da bi naučili kako one pretvaraju sunčevu energiju u električnu. U tom procesu naučićete zašto se približavamo korišćenu energije Sunca na dnevnoj bazi, i zašto imamo još dosta ispitivanja da obavimo pre nego što taj proces postane svakodnevnica.

Solarne ćelije koje vidite u digitronima i satelitima se takodje zovu fotonaponske ćelije, koje kao što sama reč kaže, pretvaraju sunčevu svetlost direktno u struju. Modul je grupa fotonaponskih ćelija električno povezana i zapakovana u okvir (najpoznatiji pod nazivom solarni panel), koji kasnije može biti grupisan u veće solarne nizove.

Fotonaponske ćelije su napravljene od specijalnog materijala tzv. poluprovodnika kao što je silicijum, koje se trenutno najčešće koristi. U principu, kada sunčev zrak udari u ćeliju, odredjena količina svetlosti se zadržava u poluprovodničkom materijalu. To znači da se energija zadržane svetlosti transformiše u poluprovodniku. Elektronski udar izaziva da elektroni napuštaju svoje atome i plutaju.

Fotonaponske ćelije takodje imaju jedno ili više elektronskih polja koja guraju elektrone koji su oslobodjeni sakupljanjem svetlosti da se kreću u odredjenom smeru. Kretanje elektrona je zapravo struja, i postavljanjem metalnih kontakata na vrh i dno fotonaponske ćelije, možemo povući tu struju za spoljašnju upotrebu recimo da napajamo digitron. Ova struja, zajedno sa naponom ćelija definiše snagu (ili voltažu) koju solarna ćelija može proizvesti.

To je osnovni proces, ali zapravu tu postoji još mnogo toga. U nastavku ćemo dublje zaći u to i pokazati na primeru jedne fotonaponske ćelije.

Kako se od silicijuma pravi fotonaponska ćelija

Silicijum ima neka specijalna hemijska svojstva, pogotovo kada je u kristalnoj formi. Atom silicijuma ima 14 elektrona, poredjanih u različite slojeve. Prva dva sloja koji drže dva i osam elektrona su kompletno pupunjeni. Treći sloj je samo do pola popunjen i drži četiri elektrona. Atom silicijuma će uvek tražiti način da popuni posledji sloj, a da bi uspeo u tome deliće elektrone sa četiri susedna atoma. To je kao da se svaki atom rukuje sa svojim komšijom, osim što u ovom slučaju, svaki atom ima četiri ruke sa kojima se rukuje sa svojim komšijama. To je ono što formira kristalne strukture, a ova struktura se ispostavila kao jako bitna za ovu vrstu fotonaponskih ćelija.

Jedini problem je sto je čist silicijum slab provodnik električne energije jer nijedan njegov elektron nije slobodan da se kreće, za razliku od elektrona u koji su optimalniji provodnici poput bakra. Da bi se prevazišao ovaj problem, silicijum u solarnim ćelijama ima nečistoće, druge atome smisleno pomešane sa atomima silicijuma, koji prave malu razliku u tome kako stvari rade. Obično nečistoće smatramo za nešto nepoželjno, ali u ovom sličaju, naša fotonaponska ćelija ne bih radila bez njih. Razmotrimo silicijum sa atomom fosfora tu i tamo, recimo jedan atom fosfora na svakih milion atoma silicijuma. Fosfor ima pet elektrona u svom spoljašnjem sloju, ne četiri. Atom fosfora je i dalje povezan sa komšijskim atomima silicijuma, ali fosfor ima jedan elektron viška koji nema sa kime da se rukuje. Dakle ovaj elektron neučestvuje u rukovanju i nije na taj način povezan sa atomima silicijuma, ali tu je pozitivni proton u jezgru fosfora koji drži ovaj elektron na mestu.

Kada se energija doda čistom silicijumu, u formi toplote naprimer, to može prouzrokovati da se nekoliko elektrona oslobodi i napuste svoje atome. Na mestu tih oslobodjenih atoma ostaje prazno mesto za svaki oslobodjeni elektron. Ovi elektroni, koji se nazivaju slobodni prenosioci, lutaju naokolo nasumično kroz kristalnu rešetku tražeći drugo prazno mesto koje će da popune i tako prenesu električnu energiju. Medjutim, u čistom silicijumu postoji jako mali broj tih praznih mesta, tako da ovi elektroni prenosioci ne mogu da budu efikasni.

Ali naš nečisti silicijum izmešan sa atomima fosfora je druga priča. Potrebno je mnogo manje energije da se izazove oslobadjanje jednog od naših „ekstra“ elektrona fosfora zato što što on nije povezan ni sa jednim susednim atomom silicijuma. Proces svrsishodnog dodavanja nečistoća naziva se dopovanje, a kada se primese dodaju sa svrhom, silicijum koji se tako dobije naziva se N-tip (N znači negativan) zato sto u njemu preovladjuju elektroni. Dopovani silicijum N-tipa je mnogo bolji provodnik od čistog silicijuma.

Drugi deo solarne ćelije je obično dopovan sa borom, koji ima samo tri elektrona na spoljašnjem sloju umesto četiri, i tako se dobija P-tip (P znači pozitivan) silicijuma. Umesto da ima slobodne elektrone P-tip silicijuma ima slobodna mesta i prenosi suprotan (pozitivan) napon.

Anatomija solarne ćelije

Do sada, naša dva odvojena parčeta silicijuma su bila elektronski neutralna, zanimljiv deo počinje kada se spoje. To je zbog toga što bez električnog polja, ćelija neće raditi, električno polje se formira kada se N-tip i P-tip silicijuma spoje. Odjednom, slobodni elektroni na N strani silicijuma vide prazna mesta na P strani silicijuma, i kreće luda potera da se ta mesta popune. Da li svi slobodni elektroni popune sva prazna mesta? Ne. Kada bi popunili, čitav sklop ne bih bio od velike koristi. Medjutim , na raskrsnici, oni se mešaju i stvaraju neku vrstu barijere, čineći sve težim i težim elektronima sa N strane da predju na P stranu. Konačno, ravnoteža se uspostavlja, i imamo električno polje koje razdvaja dve strane.

Ovo električno polje se ponaša kao dioda, dozvoljavajući čak i gurajući elektrone sa P strne na N stranu, ali ne i u suprotnom smeru. To je kao brdo, elektroni mogu lako ići nizbrdo (na N stranu), ali ne ne mogu popeti uzbrdo (na P stranu).

Kada svetlost, u formi fotona, udari u našu solarnu ćeliju, energija te svetlosti razdvoji parove elektrona i praznih mesta. Svaki foton sa dovoljno energije oslobodiće tačno jedan elektron, sto će rezultirati i praznim mestom takodje. Ako se ovo desi dovoljno blizu električnog polja, ili ako se desi da slobodni elektron i prazno mesto zalutaju u domet uticaja električnog polja, električno polje će poslati elektron na N stranu a prazno mesto na P stranu. Ovo prouzrokuje dalji prekid električne neutralnosti, i ako obezbedimo eksternu putanju za električnu energiju, elektroni će se kretati putanjom do P strane da se ujedine sa praznim mestima koje je električno polje tamo poslalo, radeći posao za nas usput. Kretanje elektrona stvara struju, a električno polje ćelije prouzrokuje napon. Sa strujom i naponom imamo snagu, koja je proizvod struje i napona.

Ima još par komponenti pre nego što možemo da koristimo našu fotonaponsku ćeliju. Silicijum je veoma sjajan materijal, koji može odbiti fotone nazad pre nego što obave svoj posao, tako da se antireflektujući sloj dodaje kako bi se smanjili gubitci. Finalni korak je da se instalira štit koji će štititi elemente ćelije od spoljašnjih uslova – najčešće stakleni zaštitni omot. Fotonaponski moduli se generalno prave tako što se spoji nekoliko odvojenih ćelija kako bi se postigli korisni nivoi napona i struje, i stavljaju se u čvrsti ram zajedno sa pozitivnim i negativnim terminalom.

Koliko sunčeve energije apsorbuje naša fotonaponska ćelija? Nažalost, verovatno ne previše. Većina solarnih panela za komercijalnu upotrbu dostigla je nivo efikasnosti od 12 do 18 %. Najnapredniji solarni panel postigao je nivo efikasnosti od 40%, ali takvi paneli za sada nisu u komercijalnoj upotrebi. Zašto je toliki izazov izvući maksimum iz sunčanog dana?

Energetski gubitci u solarnoj ćeliji

Vidljiva svetlost je samo deo elektromagnetnog spektra. Elektomagnetna radijacija nije jednobojna, sastoji se iz niza različitih talasnih dužina, a stoga i niza različitih energetskih nivoa. 

Svetlost može biti razdvojena na različite talasne dužine, koje mi možemo videti u formi duge. Pošto svetlost koja udara naše fotonaponske ćelije ima fotone u širokom energetskom rasponu, desi se da neki od njih nemaju dovoljno energije da promene stanje spoja elektrona i praznog mesta. Oni prosto prodju kroz ćeliju kao da je providna. Drugi opet fotoni imaju previše energije. Samo odredjena količina energije, izmerena u elektron voltima (eV) i definisana u zavisnosti od materijala od koga je naša ćelija (otprilike 1.1 eV za kristalni silicijum), je potrebna da bi se izbio slobodan elektron. Ovo nazivamo opsegom proboja enegrije odredjenog materijala. Ukoliko foton ima više energije nego što je potrebno, višak energije će biti izgubljen.

Zašto ne možemo da odaberemo materijal sa niskim opsegom proboja energije, i na taj način iskoristimo više fotona? Nažalost, naš opseg proboja energije odredjuje i snagu (napon) našeg električnog polja, a ako je ona previše mala, onda ono sto napravimo ekstra struje (apsorbovanjem više protona), gubimo imajući nizak napon. Zapamtite da je snaga jednaka naponu pomnoženom sa strujom. Optimalan opseg proboja energije, ako balansiramo izmedju ova dva efekta, je negde oko 1.4 eV za ćeliju koja je napravljena od jednog materijala.

Imamo i druge gubitke takodje. Naši elektroni treba da plove sa jedne strane ćelije na drugu kroz eksterno kolo. Možemo pokriti dno sa metalom, i tako postići dobru provodnost, ali ukoliko kompletno pokrijemo gornji deo, onda fotoni neće moći da prodju kroz neproziran provodnik i izgubićemo svu našu struju (na nekim ćelijama, providni provodnici se koriste za pokrivanje gornjeg dela). Ako stavimo naše kontakte samo na strane naše ćelije, onda elektroni treba da predju ekstremno dugačak put kako bi ostvarili kontakte. Zapamtite silicijum je poluprovodnik, nije ni blizu dobar kao metal za transport struje. Njegova unutrašnja otpornost (koja se naziva serijska otpornost) je poprilično visoka, a visoka otpornost znači visoki gubitci. Da bi se smanjili ovi gubitci, ćelije se obično pokrivaju metalnom kontakt mrežom koja smanjuje putanju koju elektroni treba da predju a pritom pokrivaju veoma malu površinu ćelije. Ipak, neki protoni su blokirani od strane metalne kontakt mreže, koja ne može biti premala jer će u tom slučaju njega otpornost biti prevelika.

Zaključak

I to bi bilo to, jednostavnim kretanjem elektrona kroz eksterno kolo izvlačimo jednosmernu struju iz solarnim panela. Struju koju dobijemo na taj način, možemo koristiti direktno ili puniti u solarne baterije. Jednosmerna struja koja se dobija iz solarnih panela nije pogodna za korišćenje na našim kućnim uredjajima koji rade na naizmeničnu struju,ali postoje i uredjaji dizajnirani za rad na jednosmernoj struji. Da bi se od jednosmerne struje dobila naizmenična potreban je invertor i onda se struja dobijena iz solarnih panela može koristiti i na kućnim uredjajima.