Fotocelija ili solarna celija
Definicija
Fotovoltaična (PV) celija je poluprovodnički uređaj koji pretvara svjetlost u električnu energiju. Napon induciran od strane PV celije ovisi o intenzitetu padajuće svjetlosti. Termin "fotovoltaično" potječe iz njenog sposobnosti generiranja napona ("voltaično") putem svjetlosti ("foto").
U poluprovodničkim materijalima elektroni su vezani kovalentnim vezama. Elektromagnetska radiacija sastoji se od sitnih čestica energije zvanih fotoni. Kada fotoni udare u poluprovodnički materijal, elektroni postaju energizirani i počinju emitirati.
Ti energizirani elektroni poznati su kao fotoelektroni, a fenomen emisije elektrona naziva se fotoelektrični efekt. Rad fotovoltaične celije temelji se na fotoelektričnom efektu.
Konstrukcija fotovoltaične celije
Poluprovodnički materijali poput arzenida, indija, kadmijskog sulfida, silicijuma, seleena i galija koriste se za izradu PV celija. Najčešće se koriste silicijum i seleen za izradu celija.
Uzmimo za primjer strukturu silicijumske fotovoltaične celije:
Jedinstvene PV celije proizvedene su ili od monokristalnog ili polikristalnog poluprovodničkog materijala.
Monokristalne celije su isečene iz jednog kristalnog ingota, dok su polikristalne celije proizvedene od materijala s više kristalnih struktura.
Izlazni napon i struja pojedine celije su vrlo niski, obično oko 0,6V i 0,8A redom. Za poboljšanje učinka, celije su kombinirane u različitim konfiguracijama. Postoje tri glavna metoda povezivanja PV celija:
Paralelna kombinacija PV celija
U paralelnoj konfiguraciji napon preko celija ostaje nepromijenjen, dok se ukupna struja udvostruči (ili se povećava proporcionalno broju celija). Karakteristična krivulja paralelno spojenih PV celija prikazana je ispod.
Serijalno-paralelna kombinacija PV celija
U serijalno-paralelnoj konfiguraciji napon i struja se povećavaju proporcionalno. Sunčane ploče obično se izrađuju koristeći ovu kombinaciju celija kako bi se postigao veći izlaz snage.
Sunčani modul stvoren je spajanjem pojedinačnih sunčanih celija. Skupina više sunčanih modula naziva se sunčana ploča.
Rad PV celije
Kada svjetlost udari u poluprovodnički materijal, može proći kroz njega ili se od njega odbiti. PV celije izrađene su od poluprovodnika - materijala koji nisu ni savršeni vodiči niti izolatori. Ova svojstva čine ih visoko učinkovitim u pretvaranju svjetlosne energije u električnu energiju.
Kada poluprovodnik apsorbira svjetlost, njegovi elektroni počinju emitirati. To se događa jer svjetlost sastoji se od sitnih paketa energije zvanih fotoni. Kada elektroni apsorbiraju fotone, oni se energiziraju i počinju se kretati unutar materijala. Unutarnje električno polje prisiljava te čestice da se kreću u jednom smjeru, generirajući struju. Metalni elektrodi na poluprovodniku omogućuju strujanju van.
Sljedeća slika prikazuje silicijumu PV celiju spojenu s otpornim opterećenjem. Cela sastoji se od slojeva P-tipa i N-tipa poluprovodnika spojenih kako bi formirali PN spoj.
Spoj je sučelje između materijala p-tipa i n-tipa. Kada svjetlost pada na spoj, elektroni počinju se kretati iz jedne regije u drugu.
Kako su sunčane celije instalirane u sunčanoj elektranama?
Uređaji poput praćenika točke maksimalne snage (MPPT), inverteri, upravljači nabijanja i baterije koriste se za pretvaranje sunčane radijacije u električni napon.
Praćenik točke maksimalne snage (MPPT)
MPPT je specijalizirani digitalni kontroler koji prati položaj Sunca. Budući da učinkovitost PV celija ovisi o intenzitetu sunčeve svjetlosti, koja se mijenja tijekom dana zbog rotacije Zemlje, MPPT-ovi prilagođavaju orijentaciju panela kako bi se maksimizirala apsorpcija svjetlosti i izlazna snaga.
Upravljač nabijanja
Upravljač nabijanja regulira napon s sunčane ploče i sprečava preopterećenje baterije ili prenapon, osiguravajući sigurnu i učinkovitu pohranu energije.
Inverter
Inverter pretvara struju jednosmjernu (DC) s panela u struju izmjeničnu (AC) za upotrebu sa standardnim uređajima, koji tipično zahtijevaju AC struju.
