Фотоэлектрический элемент или солнечная батарея

Определение

Фотоэлектрическая (PV) ячейка — это полупроводниковое устройство, которое преобразует свет в электрическую энергию. Напряжение, индуцируемое PV-ячейкой, зависит от интенсивности падающего света. Термин "фотоэлектрический" происходит от его способности генерировать напряжение ("вольтовый") через свет ("фото").

В полупроводниковых материалах электроны связаны ковалентными связями. Электромагнитное излучение состоит из мельчайших частиц энергии, называемых фотонами. Когда фотоны попадают на полупроводниковый материал, электроны становятся энергетически активными и начинают испускаться.

Эти заряженные электроны называются фотоэлектронами, а явление испускания электронов называется фотоэлектрическим эффектом. Работа фотоэлектрической ячейки основана на фотоэлектрическом эффекте.

Конструкция фотоэлектрической ячейки

Для изготовления PV-ячеек используются полупроводниковые материалы, такие как мышьяк, индий, кадмий, кремний, селен и галлий. Кремний и селен чаще всего используются для создания ячеек.

Пример структуры кремниевой фотоэлектрической ячейки:

• Верхняя поверхность ячейки сделана из тонкого слоя p-материала, чтобы свет мог легко проникать в материал.

• Металлические кольца размещены вокруг p- и n-материалов, которые служат их положительными и отрицательными выходными терминалами соответственно.

Отдельные PV-ячейки изготавливаются либо из монокристаллических, либо из поликристаллических полупроводниковых материалов.

Монокристаллические ячейки нарезаются из единого кристаллического слитка, тогда как поликристаллические ячейки производятся из материалов с множественной кристаллической структурой.

Выходное напряжение и ток одной ячейки довольно низкие, обычно около 0,6 В и 0,8 А соответственно. Для повышения эффективности ячейки объединяются в различных конфигурациях. Существуют три основных метода соединения PV-ячеек:

Параллельное соединение PV-ячеек

В параллельной конфигурации напряжение на ячейках остается неизменным, в то время как общий ток удваивается (или увеличивается пропорционально числу ячеек). Характеристическая кривая параллельно соединенных PV-ячеек показана ниже.

Серийно-параллельное соединение PV-ячеек

В серийно-параллельной конфигурации как напряжение, так и ток увеличиваются пропорционально. Солнечные панели обычно строятся с использованием этого сочетания ячеек для достижения большей мощности.

Солнечный модуль создается путем соединения отдельных солнечных ячеек. Сборка нескольких солнечных модулей называется солнечной панелью.

Работа PV-ячейки

Когда свет попадает на полупроводниковый материал, он может либо проходить сквозь него, либо отражаться. PV-ячейки изготовлены из полупроводников — материалов, которые не являются ни идеальными проводниками, ни изоляторами. Это свойство делает их высокоэффективными в преобразовании световой энергии в электрическую.

Когда полупроводник поглощает свет, его электроны начинают испускаться. Это происходит потому, что свет состоит из мелких пакетов энергии, называемых фотонами. Когда электроны поглощают фотоны, они становятся энергетически активными и начинают двигаться внутри материала. Внутреннее электрическое поле заставляет эти частицы двигаться в одном направлении, создавая ток. Металлические электроды на полупроводнике позволяют току течь наружу.

На рисунке ниже показана кремниевая PV-ячейка, подключенная к резистивной нагрузке. Ячейка состоит из слоев p- и n-полупроводников, соединенных для образования PN-перехода.

Переход — это интерфейс между p- и n-материалами. Когда свет попадает на переход, электроны начинают двигаться из одного региона в другой.
Как устанавливаются солнечные ячейки в солнечной электростанции?
Используются устройства, такие как трекеры максимальной точки мощности (MPPT), инверторы, контроллеры заряда и аккумуляторы, для преобразования солнечного излучения в электрическое напряжение.

Трекер максимальной точки мощности (MPPT)

MPPT — это специализированный цифровой контроллер, который отслеживает положение солнца. Поскольку эффективность PV-ячейки зависит от интенсивности солнечного света, которая меняется в течение дня из-за вращения Земли, MPPT корректируют ориентацию панели, чтобы максимизировать поглощение света и выходную мощность.

Контроллер заряда

Контроллер заряда регулирует напряжение от солнечной панели и предотвращает перезарядку или перенапряжение батареи, обеспечивая безопасное и эффективное хранение энергии.

Инвертор

Инвертор преобразует постоянный ток (DC) от панелей в переменный ток (AC) для использования с обычными приборами, которые, как правило, требуют переменного тока.