Фотоovoltaен елемент или слънчева клетка

Определение

Фотоелектрически (PV) клетка е полупроводниково устройство, което преобразува светлина в електрическа енергия. Наведената от PV клетката напрежение зависи от интензитета на падащата светлина. Терминът "фотоелектрически" произлиза от способността му да генерира напрежение ("voltic") чрез светлина ("photo").

В полупроводниковите материали, електроните са свързани с ковалентни връзки. Електромагнитното излъчване се състои от миниатюрни енергийни частици, наречени фотони. Когато фотоните ударят полупроводниковия материал, електроните се активизират и започват да излъчват.

Тези активизирани електрони са известни като фотоелектрони, а феноменът на излъчване на електрони се нарича фотоелектричен ефект. Работата на фотоелектрическа клетка се основава на фотоелектричния ефект.

Изграждане на фотоелектрическа клетка

За изработката на PV клетки се използват полупроводникови материали като арсенид, индий, кадмиев, кремик, селен и галлий. Кремик и селен се използват най-често за изграждането на клетките.

Вземете структурата на фотоелектрическа клетка от кремик, показана по-долу, като пример:

• Горната повърхност на клетката е направена от тънък слой p-тип материал, така че светлината лесно да влезе в материала.

• Метални пръстени са поставени около p-типа и n-типа материали, които действат като техните положителни и отрицателни изходни терминали съответно.

Единичните PV клетки се правят от монокристален или поликристален полупроводников материал.

Монокристалните клетки са изрязани от единичен кристален ингот, докато поликристалните клетки се произвеждат от материали с множество кристални структури.

Изходната напрежение и ток на единична клетка са доста ниски, обикновено около 0.6V и 0.8A съответно. За подобряване на ефективността, клетките се комбинират в различни конфигурации. Има три основни метода за свързване на PV клетки:

Паралелно свързване на PV клетки

В паралелна конфигурация, напрежението върху клетките остава непроменено, докато общият ток се удвоява (или се увеличава пропорционално с броя на клетките). Характеристичната крива на паралелно свързаните PV клетки е показана по-долу.

Сериозно-паралелно свързване на PV клетки

В сериозно-паралелна конфигурация, както напрежението, така и токът се увеличават пропорционално. Слънчевите панели обикновено се изграждат, използвайки тази комбинация от клетки, за да се постигне по-високо мощностно изложение.

Слънчева модул се създава, като се свържат отделни слънчеви клетки. Събирането на множество слънчеви модули се нарича слънчева панел.

Работа на PV клетка

Когато светлината удари полупроводников материал, тя може или да премине през него, или да бъде рефлектирана. PV клетките са направени от полупроводници - материали, които не са ни перфектни проводници, нито изолатори. Това свойство ги прави много ефективни при преобразуването на светлинна енергия в електрическа енергия.

Когато полупроводникът абсорбира светлина, неговите електрони започват да излъчват. Това се случва, защото светлината се състои от миниатюрни енергийни пакети, наречени фотони. Когато електроните абсорбират фотони, те се активизират и започват да се движе в материала. Вътрешно електрическо поле принуждава тези частици да се движат в една посока, генерирайки ток. Метални електроди върху полупроводника позволяват тока да протече навън.

Фигурата по-долу показва кремиков PV клетка, свързана с резистивна нагрузка. Клетката съдържа слоеве от P-тип и N-тип полупроводникови материали, свързани, за да образуват PN спойка.

Спойката е интерфейсът между p-типа и n-типа материали. Когато светлината падне върху спойката, електроните започват да се движат от една зона в друга.
Как се инсталират слънчеви клетки в слънчево електроцентrale?
Устройства като трекери на максимална мощност (MPPT), инвертори, контролери на заряд и батерии се използват, за да преобразуват слънчевата радиация в електрическо напрежение.

Трекер на максимална мощност (MPPT)

MPPT е специализиран цифров контролер, който следи позицията на слънцето. Тъй като ефективността на PV клетката зависи от интензитета на слънчевата светлина, който варира през деня поради въртенето на Земята, MPPT-товете коригират ориентацията на панела, за да максимизират абсорбцията на светлина и мощността.

Контролер на заряд

Контролерът на заряд регулира напрежението от слънчевата панел и предотвратява прекомерен заряд или прекомерно напрежение на батерията, осигурявайки безопасно и ефективно съхранение на енергията.

Инвертор

Инверторът преобразува постоянен ток (DC) от панелите в променлив ток (AC) за използване с стандартни устройства, които обикновено изискват AC мощност.