Komórka fotowoltaiczna lub komórka słoneczna

Definicja

Komórka fotowoltaiczna (PV) to urządzenie półprzewodnikowe, które przekształca światło w energię elektryczną. Napięcie wywołane przez komórkę PV zależy od intensywności padającego światła. Termin „fotowoltaika” pochodzi z jej zdolności do generowania napięcia („voltaic”) poprzez światło („photo”).

W materiałach półprzewodnikowych elektrony są związane wiązaniami kowalencyjnymi. Promieniowanie elektromagnetyczne składa się z małych cząsteczek energii zwanych fotonami. Gdy fotony uderzają w materiał półprzewodnikowy, elektrony stają się wzbudzone i zaczynają emitować.

Te wzbudzone elektrony nazywane są fotoelektronami, a zjawisko emisji elektronów nazywane jest efektem fotoelektrycznym. Działanie komórki fotowoltaicznej opiera się na efekcie fotoelektrycznym.

Konstrukcja komórki fotowoltaicznej

Do produkcji komórek PV używane są materiały półprzewodnikowe takie jak arsenid, ind, kadm, krzem, selen i gal. Krzem i selen są najczęściej używane do budowy tych komórek.

Weźmy za przykład strukturę komórki fotowoltaicznej z krzemu:

• Górna powierzchnia komórki jest wykonana z cienkiej warstwy materiału typu p, aby światło mogło łatwo wejść do materiału.

• Obok materiałów typu p i n umieszczane są metalowe pierścienie, które działają jako ich dodatnie i ujemne wyjścia odpowiednio.

Pojedyncze komórki PV są wykonane z materiałów półprzewodnikowych monokrystalicznych lub polikrystalicznych.

Komórki monokrystaliczne są cięte z jednego kryształu, podczas gdy komórki polikrystaliczne są produkowane z materiałów o wielu strukturach kryształowych.

Napięcie i prąd wyjściowe pojedynczej komórki są stosunkowo niskie, zwykle około 0,6V i 0,8A odpowiednio. Aby zwiększyć efektywność, komórki są łączone w różnych konfiguracjach. Istnieją trzy główne metody łączenia komórek PV:

Równoległe połączenie komórek PV

W konfiguracji równoległej napięcie między komórkami pozostaje niezmienione, podczas gdy całkowity prąd podwaja się (lub wzrasta proporcjonalnie do liczby komórek). Charakterystyka równolegle połączonych komórek PV przedstawiona jest poniżej.

Szeregowo-równoległe połączenie komórek PV

W konfiguracji szeregowo-równoległej zarówno napięcie, jak i prąd zwiększają się proporcjonalnie. Panele słoneczne są zazwyczaj konstruowane przy użyciu tej kombinacji komórek, aby osiągnąć wyższe wydajność mocy.

Moduł słoneczny tworzy się poprzez łączenie pojedynczych komórek słonecznych. Zestaw kilku modułów słonecznych nazywany jest panelem słonecznym.

Działanie komórki PV

Gdy światło uderza w materiał półprzewodnikowy, może ono przejść przez nie lub zostać odbite. Komórki PV są wykonane z półprzewodników – materiałów, które nie są ani doskonałymi przewodnikami, ani izolatorami. Ta właściwość sprawia, że są one bardzo efektywne w przekształcaniu energii światła w energię elektryczną.

Gdy półprzewodnik absorbuje światło, jego elektrony zaczynają emitować. To dzieje się dlatego, że światło składa się z małych pakietów energii zwanych fotonami. Gdy elektrony absorbują fotony, stają się wzbudzone i zaczynają się poruszać w materiale. Wewnętrzne pole elektryczne zmusza te cząsteczki do poruszania się w jednym kierunku, generując prąd. Metalowe elektrody na półprzewodniku umożliwiają przepływ prądu.

Poniższy rysunek przedstawia komórkę PV z krzemu podłączoną do obciążenia rezystywnego. Komórka składa się z warstw półprzewodnikowych typu P i N połączonych, tworząc złącze PN.

Złącze to granica między materiałami typu p i n. Gdy światło pada na złącze, elektrony zaczynają się poruszać z jednej strefy do drugiej.
Jak są instalowane komórki słoneczne w elektrowni słonecznej?
Urządzenia takie jak śledziaki maksymalnej mocy (MPPT), inwertery, kontrolery ładowania i baterie są używane do przekształcania promieniowania słonecznego w napięcie elektryczne.

Śledzic maksymalnej mocy (MPPT)

MPPT to specjalizowany cyfrowy regulator, który śledzi pozycję Słońca. Skoro wydajność komórki PV zależy od intensywności światła słonecznego, która zmienia się w ciągu dnia ze względu na obrót Ziemi, MPPT dostosowuje orientację panelu, aby maksymalizować absorpcję światła i wydajność mocy.

Kontroler ładowania

Kontroler ładowania reguluje napięcie z panelu słonecznego i zapobiega nadładowaniu lub przepięciu baterii, zapewniając bezpieczne i efektywne przechowywanie energii.

Inwerter

Inwerter przekształca prąd stały (DC) z paneli w prąd zmienny (AC) dla użytku z standardowymi urządzeniami, które zazwyczaj wymagają prądu zmiennego.