Fotovoltaiskās čūkas vai saules ķēdes
Definīcija
Fotovoltāiskā (PV) šūna ir poluprovadītāja ierīce, kas pārveido gaismu elektrisko enerģijā. PV šūnas izraisītā sprieguma atkarība no noraustā gaisma intensitātes. Termins "fotovoltāisks" nāk no tās spējas ģenerēt spriegumu ("voltāisks") caur gaismu ("foto").
Poluprovadītāju materiālos elektroni ir saistīti ar kovalentiem saitiem. Elektromagnētiskā radiācija sastāv no maziem enerģijas daudzumiem, ko sauc par fotoniem. Kad fotonu rada poluprovadītājamateriālam, elektronu enerģija pieaug un tie sāk izdalīties.
Šie energēto elektroni tiek saukti par fotoelektroniem, un elektronu emisijas paradoksu sauc par fotoelektrisku efektu. Fotovoltāiskās šūnas darbība balstās uz fotoelektrisku efektu.
Fotovoltāiskās šūnas konstrukcija
Fotovoltāiskām šūnām tiek izmantoti poluprovadītāju materiāli, piemēram, arsēns, indijs, kadmijs, silīcijs, seilis un gallijs. Galvenokārt tiek izmantots silīcijs un seilis šūnu veidošanai.
Kā piemērs, aplūkosim silīcija fotovoltāiskās šūnas struktūru zemāk:
Vienas PV šūnas izgatavošanai tiek izmantoti gan monokristāliski, gan polikristāliski poluprovadītāju materiāli.
Monokristāliskās šūnas tiek sagrieztas no viena kristāla ingota, bet polikristāliskās šūnas tiek ražotas no materiāliem ar vairākiem kristālstruktūras tipiem.
Vienas šūnas izvades spriegums un strāva ir salīdzinoši zemi, parasti aptuveni 0,6V un 0,8A attiecīgi. Lai palielinātu efektivitāti, šūnas tiek kombinētas dažādos variantos. Ir trīs galvenie metodes PV šūnu savienošanai:
Paralēlais PV šūnu savienojums
Paralēlā konfigurācijā šūnu spriegums paliek nemainīgs, bet kopējā strāva dubultojas (vai palielinās proporcionāli ar šūnu skaitu). Paralēli savienoto PV šūnu raksturojošā līkne ir parādīta zemāk.
Sērijparalēlais PV šūnu savienojums
Sērijparalēlā konfigurācijā gan spriegums, gan strāva palielinās proporcionāli. Saules paneļi parasti tiek izgatavoti, izmantojot šo šūnu kombināciju, lai sasniegtu lielāku jaudu.
Saules modulis tiek izveidots, savienojot individuālas saules šūnas. Vairāku saules moduļu asambleja tiek saukta par saules paneļu.
PV šūnas darbība
Kad gaisma nonāk poluprovadītājamateriālā, tā var vai nu pāriet cauri, vai atstaroties. PV šūnas ir izgatavotas no poluprovadītājiem — materiāliem, kas nav ne ideāli strādājoši vedēji, ne arī izolatori. Šī īpašība padara tos ļoti efektīvus gaisma enerģijas pārveidošanā elektriskā enerģijā.
Kad poluprovadītājs absorbu gaisma, tā elektroni sāk izdalīties. Tas notiek, jo gaisma sastāv no maziem enerģijas daudzumiem, ko sauc par fotoniem. Kad elektroni absorbu fotonus, tie kļūst enerģēti un sāk kustēties materiālā. Iekšējais elektromagnētiskais lauks piespiež šos daudzumus kustēties vienā virzienā, veidojot strāvu. Metāla elektrodi uz poluprovadītāja ļauj strāvai plūstēt.
Zemāk redzamā attēlā ir parādīts silīcija PV šūna, kas savienota ar pretestības slodzi. Šūna sastāv no p-tipa un n-tipa poluprovadītāja slāņiem, kas savienoti, lai veidotu PN savienojumu.
Savienojums ir p-tipa un n-tipa materiālu robeža. Kad gaisma nonāk savienojumā, elektroni sāk kustēties no vienas reģiona uz otru.
Kā saules šūnas tiek instalētas saules enerģijas stacijā?
Ierīces, piemēram, maksimālā jaudas punkta trakeri (MPPT), inversori, lādēšanas kontrolētāji un akumulatori, tiek izmantoti, lai pārveidotu saules radiāciju elektriskā sprieguma.
Maksimālā jaudas punkta trakeris (MPPT)
MPPT ir specializēts digitāls kontrolētājs, kas sekot saules pozīcijai. Tā kā PV šūnu efektivitāte atkarīga no saules gaismas intensitātes, kas mainās diennaktī, MPPT pielāgo paneļu orientāciju, lai maksimizētu gaismas absorbciju un jaudas iznākumu.
Lādēšanas kontrolētājs
Lādēšanas kontrolētājs regulē spriegumu no saules paneļiem un novērš akumulatoru pārlādēšanu vai pārspriegumu, nodrošinot drošu un efektīvu enerģijas krājumu.
Inversors
Inversors pārveido tiešo strāvu (DC) no paneļiem alternējošā strāvā (AC), lai to varētu izmantot standarta ierīcēm, kas parasti prasa AC enerģiju.
