Fotovoltaická buňka nebo sluneční článek
Definice
Fotovoltaická (PV) článek je polovodičové zařízení, které přeměňuje světlo na elektrickou energii. Napětí vyvolané PV článkem závisí na intenzitě dopadajícího světla. Termín "fotovoltaický" pochází z jeho schopnosti generovat napětí ("voltaický") prostřednictvím světla ("foto").
V polovodičových materiálech jsou elektrony vázány kovalentními vazbami. Elektromagnetické záření se skládá z malých částic energie nazývaných fotony. Když fotony dopadnou na polovodičový materiál, elektrony se rozbudí a začnou emitovat.
Tyto rozbuzené elektrony jsou známé jako fotoelektrony a fenomén emise elektronů se nazývá fotoelektrický efekt. Funkce fotovoltaického článku závisí na fotoelektrickém efektu.
Konstrukce fotovoltaického článku
K výrobě PV článků se používají polovodičové materiály jako arsénid, indium, kadmium, křemík, selen a galium. Křemík a selen se nejčastěji používají pro výrobu článků.
Uveďme strukturu křemíkového fotovoltaického článku níže jako příklad:
Jednotlivé PV články jsou vyráběny z monokrystalických nebo polykrystalických polovodičových materiálů.
Monokrystalické články jsou řezány z jediného krystalického kytku, zatímco polykrystalické články jsou vyráběny z materiálů s více krystalickými strukturami.
Výstupní napětí a proud jednoho článku jsou velmi nízké, obvykle okolo 0,6 V a 0,8 A. Pro zvýšení efektivity jsou články kombinovány různými konfiguracemi. Existují tři hlavní metody pro spojování PV článků:
Paralelní spojení PV článků
V paralelní konfiguraci zůstává napětí mezi články stejné, zatímco celkový proud se zdvojnásobí (nebo roste úměrně s počtem článků). Charakteristická křivka paralelně spojených PV článků je uvedena níže.
Sériově-paralelní spojení PV článků
V sériově-paralelní konfiguraci rostou jak napětí, tak proud úměrně. Sluneční panely jsou obvykle konstruovány pomocí této kombinace článků pro dosažení vyššího výkonu.
Sluneční modul vzniká propojením jednotlivých slunečních článků. Sestava více slunečních modulů se nazývá sluneční panel.
Funkce PV článku
Když světlo dopadne na polovodičový materiál, může buď projít nebo být odraženo. PV články jsou vyrobeny z polovodičů – materiálů, které nejsou ani dokonalými vodiči, ani izolanty. Tato vlastnost je dělá velmi efektivními při převodu světelné energie na elektrickou energii.
Když polovodič absorbuje světlo, jeho elektrony začnou emitovat. To se stane proto, že světlo se skládá z malých energetických balíčků nazývaných fotony. Když elektrony absorbují fotony, rozbuzeně se pohybují uvnitř materiálu. Interní elektrické pole nutí tyto částice pohybovat se v jednom směru, což vytváří proud. Kovy elektrody na polovodiči umožňují tok proudu ven.
Níže je znázorněn křemíkový PV článek spojený s odporovým zatížením. Článek se skládá ze vrstev polovodičového materiálu typu P a N, které jsou spojeny k vytvoření PN spoje.
Spoj je rozhraní mezi materiálem typu p a n. Když světlo dopadne na spoj, elektrony začnou pohybovat z jedné oblasti do druhé.
Jak jsou sluneční články instalovány ve sluneční elektrárně?
Převod slunečního záření na elektrické napětí se provádí pomocí zařízení jako jsou sledovače maximálního výkonového bodu (MPPT), invertory, regulátory nabíjení a baterie.
Sledovač maximálního výkonového bodu (MPPT)
MPPT je specializovaný digitální kontrolér, který sleduje polohu slunce. Protože efektivita PV článků závisí na intenzitě slunečního světla, která se v průběhu dne mění kvůli rotaci Země, MPPT upravuje orientaci panelu pro maximalizaci absorpce světla a výkonu.
Regulátor nabíjení
Regulátor nabíjení reguluje napětí ze slunečního panelu a brání přetížení nebo přetlaku baterie, což zajišťuje bezpečné a efektivní skladování energie.
Inverzor
Inverzor převádí stejnosměrný proud (DC) z panelů na střídavý proud (AC) pro použití se standardními spotřebiči, které obvykle vyžadují AC proud.
