Fotogaasi- või päikeselement
Määratlus
Fotovoltaikne (PV) element on pooljuht, mis teisendab valgust elektrivooluks. PV elemendi indukeeritud voltaga sõltub sellel puutuvate valguse intensiivsusest. Termiin "fotovoltaik" pärineb selle võimest luua voltaadit (voltaic) valguse kaudu (photo).
Pooljuhtmaterjalides on elektronid sidunud koos kovalentsete sidega. Elektromagnetiline kiirgus koosneb väikesest energiapaketist, mida nimetatakse fotonideks. Kui fotod tabavad pooljuhtmaterjali, siis elektronid energiseeruvad ja hakkavad liikuma.
Need energiseeritud elektronid on tuntud kui fotoelektronid ja nende väljaheitumist nimetatakse fotoelektriliseks efektiks. Fotovoltaikse elemendi töö põhineb fotoelektrilisel efektil.
Fotovoltaikse elemendi ehitus
PV elementide tootmiseks kasutatakse pooljuhtmaterjale, nagu arseeniid, indium, kaadmi, silitsium, seleen ja gallium. Silitsiumi ja seleeni kasutatakse enamasti elemendidehooldamiseks.
Vaatame näiteks silitsiumi fotovoltaikse elemendi struktuuri:
Üksikud PV elemendid valmistatakse kas monokristalliliste või polükristalliliste pooljuhtmaterjalidest.
Monokristallilised elemendid lõigatakse ühest kristalliingotist, samas kui polükristallilised elemendid toodetakse mitmekesist kristalstruktuuriga materjalidest.
Ühe elemendi väljundvoltaaž ja -vool on väga madal, tavaliselt umbes 0.6V ja 0.8A vastavalt. Tõhustamiseks kombineeritakse elemendid erinevatel viisidel. On kolm peamist meetodit PV elementide ühendamiseks:
PV elementide paralleelne kombinatsioon
Paralleelses konfiguratsioonis jääb elementide üleval olev volt muutumatuks, samas kui koguvool dubleerib (või suureneb elementide arvu järgi proportsionaalselt). Paralleelselt ühendatud PV elementide karakteristikukäik on näidatud allpool.
PV elementide sariparalleelne kombinatsioon
Sariparalleelses konfiguratsioonis suurenevad nii voltaga kui ka vool proportsionaalselt. Päikesepaneelid valmistatakse tavaliselt selle kombinatsiooni abil, et saavutada suurem võimsus.
Päikesemoduul luetakse ühendades individuaalseid päikeseelemente. Mitme päikesemoduuli kogumit nimetatakse päikesepaneeliks.
PV elemendi tööpõhimõte
Kui valgus tabab pooljuhtmaterjali, võib see läbida või heituda tagasi. PV elemendid on valmistatud pooljuhtidest, mis ei ole täiuslikud juhid ega eraldajad. See omadus muudab need väga tõhusaks valguse energia teisendamisel elektrivooluks.
Kui pooljuht absorbib valgust, hakkavad selle elektronid liikuma. See toimub, kuna valgus koosneb väikestest energiapaketidest, mida nimetatakse fotonideks. Kui elektronid absorbivad fotonid, energiseeruvad nad ja hakkavad liikuma materjalises. Sisemine elektriväli sundib neid osakesi liikuma ühes suunas, genereerides voolu. Metallilised elektrood pooljuhtidel lubavad voolu välja voolata.
Järgmine joonis näitab silitsiumi PV elementi, mis on ühendatud vastandega. Element koosneb tipidega ja negatiivsete pooljuhtide kihtidest, mis on ühendatud PN-ühendiks moodustamiseks.
Ühendus on tipidega ja negatiivsete materjalide vaheline piir. Kui valgus langeb ühendusele, hakkavad elektronid liikuma ühest alast teise.
Kuidas installitakse päikeseelemente päikeseelektrijaamas?
Seadmete, nagu maksimaalse võimsuse punkti jälgijad (MPPT), inverterid, laetuse kontrollerid ja akud, kasutatakse päikesekiirguse teisendamiseks elektrivooluks.
Maksimaalse võimsuse punkti jälgija (MPPT)
MPPT on spetsialiseeritud digitaalne kontroller, mis jälgib päikese asukohta. Kuna PV elemendi tõhusus sõltub päikeseintensiivist, mis muutub päeva jooksul Maa pööret tõttu, siis MPPT-d justeeritakse paneeli orientatsiooni maksimeerimiseks, et suurendada valguse absorptsiooni ja võimsust.
Laetuse kontroller
Laetuse kontroller reguleerib päikesepaneelilt saadavat voltaga ja takistab akude ületöödeldust või ülevoltaga, tagades turvalise ja tõhusa energia salvestamise.
Inverter
Inverter teisendab päikesepaneelidelt saadavat otsepäevalist voolu (DC) vaikevooluks (AC), mis on kasutuses standardsete seadmetega, mis tavaliselt vajavad vaikevoolu.
