Φωτοβολταϊκό ή ηλιακό κύτταρο

Ορισμός

Μια φωτοβολταϊκή (PV) κύλινδρος είναι ένα σεμιχήλιο που μετατρέπει το φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Η τάση που παράγεται από το PV κύλινδρο εξαρτάται από την ένταση του εισερχόμενου φωτός. Ο όρος "φωτοβολταϊκό" προέρχεται από την ικανότητά του να παράγει τάση ("voltaic") μέσω του φωτός ("photo").

Σε υλικά σεμιχηλίων, τα ηλεκτρόνια είναι δεμένα με συνδετικά δεσμά. Το ηλεκτρομαγνητικό ακτίνωμα αποτελείται από μικρά σωματίδια ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Όταν τα φωτόνια πλήττουν το υλικό σεμιχηλίου, τα ηλεκτρόνια ενεργοποιούνται και αρχίζουν να εκλύονται.

Αυτά τα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια, και το φαινόμενο της εκλύσης ηλεκτρονίων ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού κυλίνδρου βασίζεται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Κατασκευή Φωτοβολταϊκού Κυλίνδρου

Για την κατασκευή PV κυλίνδρων χρησιμοποιούνται υλικά σεμιχηλίων όπως αρσενικό, ινδιο, καδμίο, σιλικόνιο, σελήνιο και γάλλιο. Το σιλικόνιο και το σελήνιο χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατασκευή των κυλίνδρων.

Πάρτε ως παράδειγμα τη δομή ενός φωτοβολταϊκού κυλίνδρου σιλικίου:

• Η επιφάνεια του κυλίνδρου είναι κατασκευασμένη από μια λεπτή στρώση υλικού p-τύπου ώστε το φως να μπορεί εύκολα να εισέλθει στο υλικό.

• Τοποθετούνται μεταλλικές δαχτυλίδια γύρω από τα υλικά p-τύπου και n-τύπου, οι οποίες λειτουργούν ως θετικά και αρνητικά εξόδια αντίστοιχα.

Οι μεμονωμένες PV κυλίνδροι κατασκευάζονται είτε από μονοκρυστάλλια είτε από πολυκρυστάλλια υλικά σεμιχηλίων.

Οι μονοκρυστάλλιοι κυλίνδροι κοψίζονται από ένα μονοκρυστάλλιο ίνγκοτ, ενώ οι πολυκρυστάλλιοι κυλίνδροι παράγονται από υλικά με πολλαπλές κρυσταλλικές δομές.

Η εξόδια τάση και ρεύματος ενός μεμονωμένου κυλίνδρου είναι αρκετά χαμηλά, συνήθως γύρω στα 0.6V και 0.8A αντίστοιχα. Για την αύξηση της απόδοσης, οι κυλίνδροι συνδυάζονται σε διάφορες διατάξεις. Υπάρχουν τρεις βασικές μέθοδοι σύνδεσης PV κυλίνδρων:

Παράλληλη Σύνδεση PV Κυλίνδρων

Σε μια παράλληλη διάταξη, η τάση στους κυλίνδρους παραμένει αμετάβλητη, ενώ το συνολικό ρεύμα διπλασιάζεται (ή αυξάνεται ανάλογα με τον αριθμό των κυλίνδρων). Η χαρακτηριστική καμπύλη των παράλληλως συνδεδεμένων PV κυλίνδρων εμφανίζεται παρακάτω.

Σειριακή-Παράλληλη Σύνδεση PV Κυλίνδρων

Σε μια σειριακή-παράλληλη διάταξη, και η τάση και το ρεύμα αυξάνονται ανάλογα. Οι ηλιακές πλάκες συνήθως κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας αυτή τη συνδυασμένη διάταξη κυλίνδρων για να επιτευχθεί υψηλότερη εξόδια ενέργεια.

Ένα ηλιακό μόνωμα δημιουργείται με τη σύνδεση μεμονωμένων ηλιακών κυλίνδρων. Η συνένωση πολλαπλών ηλιακών μονωμάτων αναφέρεται ως ηλιακή πλάκα.

Λειτουργία PV Κυλίνδρου

Όταν το φως πλήττει ένα υλικό σεμιχηλίου, μπορεί είτε να διασχίσει είτε να ανακληθεί. Οι PV κυλίνδροι κατασκευάζονται από σεμιχηλίους—υλικά που δεν είναι τέλειοι διαγωνιστές ούτε αισθητήρες. Αυτή η ιδιότητα τα καθιστά εξαιρετικά αποτελεσματικά στη μετατροπή της ενέργειας φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια.

Όταν το σεμιχήλιο απορροφά φως, τα ηλεκτρόνια του αρχίζουν να εκλύονται. Αυτό συμβαίνει επειδή το φως αποτελείται από μικρά σωματίδια ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Όταν τα ηλεκτρόνια απορροφούν φωτόνια, ενεργοποιούνται και αρχίζουν να κινούνται μέσα στο υλικό. Ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο αναγκάζει αυτά τα σωματίδια να κινούνται σε μία κατεύθυνση, παράγοντας ένα ρεύμα. Μεταλλικά ηλεκτρόδια στο σεμιχήλιο επιτρέπουν το ρεύμα να ρέει έξω.

Η εικόνα παρακάτω παραπέμπει σε έναν φωτοβολταϊκό κύλινδρο σιλικίου που συνδέεται με ένα αντιστατικό φορτίο. Ο κύλινδρος αποτελείται από επίπεδα υλικών P-τύπου και N-τύπου που ενώνονται για να σχηματίσουν μια PN συνάρτηση.

Η συνάρτηση είναι η διασύνδεση μεταξύ των υλικών p-τύπου και n-τύπου. Όταν το φως πέφτει στη συνάρτηση, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται από μια περιοχή σε μια άλλη.
Πώς Εγκαθίστανται τα Ηλιακά Κύλινδρα σε Μια Ηλιακή Εγκατάσταση;
Συσκευές όπως παρακολουθητές μέγιστου σημείου ισχύος (MPPTs), αντιστροφείς, ελεγκτές φόρτισης και μπαταρίες χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική τάση.

Παρακολουθητής Μέγιστου Σημείου Ισχύος (MPPT)

Ένας MPPT είναι ένα ειδικευμένο ψηφιακό ελεγκτής που παρακολουθεί τη θέση του ήλιου. Επειδή η απόδοση των PV κυλίνδρων εξαρτάται από την ένταση του ήλιου, η οποία μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ημέρας λόγω της περιστροφής της Γης, οι MPPTs προσαρμόζουν την προσανατολισμό της πλάκας για να επιτευχθεί η μέγιστη απορρόφηση φωτός και η μέγιστη έξοδος ισχύος.

Ελεγκτής Φόρτισης

Ένας ελεγκτής φόρτισης ρυθμίζει την τάση από την ηλιακή πλάκα και προλαμβάνει την υπερφόρτιση ή την υπερτάση της μπαταρίας, εξασφαλίζοντας μια ασφαλή και αποτελεσματική αποθήκευση ενέργειας.

Αντιστροφέας

Ένας αντιστροφέας μετατρέπει την έμπρακτη τροποποίηση (DC) από τις πλάκες σε εναλλασσόμενη τροποποίηση (AC) για χρήση με τυπικά συσκευές, οι οποίες συνήθως απαιτούν AC ισχύ.