Фотоелемент або сонячна батарея
Визначення
Фотоелемент (PV) — це напівпровідниковий прилад, який перетворює світло на електричну енергію. Напруга, викликана фотоелементом, залежить від інтенсивності падаючого світла. Термін "фотоелектричний" походить від здатності генерувати напругу ("вольтаїчний") за допомогою світла ("фото").
У матеріалах напівпровідників електрони зв'язані ковалентними зв'язками. Електромагнітне випромінювання складається з малих частинок енергії, відомих як фотони. Коли фотони ударяють у матеріал напівпровідника, електрони стають енергійно активними і починають віддаватися.
Ці енергійно активні електрони називаються фотоелектронами, а явище віддачі електронів називається фотоелектричним ефектом. Робота фотоелемента базується на фотоелектричному ефекті.
Конструкція фотоелемента
Для виготовлення фотоелементів використовуються напівпровідникові матеріали, такі як арсенід, індій, кадмій, кремній, селен і галій. Кремній і селен найчастіше використовуються для побудови клітин.
Розглянемо структуру кремнієвого фотоелемента, показану нижче, як приклад:
Одиночні фотоелементи виготовляються з моно-або полікристалічних напівпровідникових матеріалів.
Моно-кристалічні клітини нарізаються з однокристалічного інготу, тоді як полі-кристалічні клітини виробляються з матеріалів, які мають багато кристалічних структур.
Вихідна напруга і струм однієї клітини досить низькі, зазвичай близько 0,6 В і 0,8 А відповідно. Для підвищення ефективності клітини об'єднуються в різних конфігураціях. Існує три основні методи з'єднання фотоелементів:
Паралельне з'єднання фотоелементів
У паралельній конфігурації напруга на клітинах залишається незмінною, тоді як загальний струм подвоюється (або зростає пропорційно кількості клітин). Характеристична крива паралельно з'єднаних фотоелементів показана нижче.
Серійно-паралельне з'єднання фотоелементів
У серійно-паралельній конфігурації як напруга, так і струм зростають пропорційно. Сонячні панелі зазвичай виготовляються за допомогою такого комбінування клітин, щоб досягти більшої потужності.
Сонячний модуль створюється шляхом з'єднання окремих сонячних клітин. Збірка багатьох сонячних модулів називається сонячною панеллю.
Робота фотоелемента
Коли світло ударяє у матеріал напівпровідника, воно може або пройти через нього, або відбитися. Фотоелементи виготовлені з напівпровідників — матеріалів, які не є ідеальними провідниками, ні ізоляторами. Ця властивість робить їх надзвичайно ефективними у перетворенні світлової енергії на електричну.
Коли напівпровідник поглинає світло, його електрони починають віддаватися. Це відбувається тому, що світло складається з малих пакетів енергії, відомих як фотони. Коли електрони поглинають фотони, вони стають енергійно активними і починають рухатися всередині матеріалу. Внутрішнє електричне поле примушує ці частинки рухатися в одному напрямку, генеруючи струм. Металеві електроди на напівпровіднику дозволяють струму витекати.
Нижче зображено кремнієвий фотоелемент, підключений до опорного навантаження. Клітина складається з шарів напівпровідників типу p і n, з'єднаних для формування PN-перехід.
Перехід — це інтерфейс між матеріалами типу p і n. Коли світло падає на перехід, електрони починають рухатися з одного регіону в інший.
Як встановлюються сонячні клітини в сонячній електростанції?
Для перетворення сонячного випромінювання на електричну напругу використовуються пристрої, такі як трекери максимальної потужності (MPPT), інвертори, контролери заряду та акумулятори.
Трекер максимальної потужності (MPPT)
MPPT — це спеціалізований цифровий контролер, який відстежує положення сонця. Оскільки ефективність фотоелемента залежить від інтенсивності сонячного світла, яка змінюється протягом дня через обертання Землі, MPPT коригують орієнтацію панелі, щоб максимізувати поглинання світла та вивід потужності.
Контролер заряду
Контролер заряду регулює напругу від сонячної панелі та запобігає перевантаженню або перевищенню напруги акумулятора, забезпечуючи безпечне та ефективне зберігання енергії.
Інвертор
Інвертор перетворює постійний струм (DC) від панелей на перемінний струм (AC) для використання зі стандартними пристроями, які зазвичай потребують AC-енергії.
