Розуміння принципів роботи сонячних панелей вкрай важливо при проектуванні і експлуатації електростанцій. У цій статті ми викладемо деякі фізичні основи роботи сонячних осередків, а також особливості конструкції сонячних батарей.
Пристрій сонячної батареї
Розглянемо пристрій сонячної батареї. Фотоелектрична осередок є напівпровідникової гетероструктур, що має один p-n перехід, який виникає на межі поділу двох напівпровідникових пластин p і n типу, відповідно, з «доречний» і електронної провідністю. На передню і задню поверхню осередки нанесені електричні контакти. При падінні світла на сонячний елемент фотони «вибивають» електрони з кристалічної решітки, утворюючи таким чином електронно дірковий пару. Далі носії заряду вільно рухаються під дією електричного поля p-n переходу. Таким чином, на обкладинках сонячної комірки з'являється електро-рушійна сила (ЕРС).
Найпростіша еквівалентна схема фотоелектричної осередку виглядає наступним чином:
Рис.1 Еквівалентна схема сонячної комірки.
Тут Rп - послідовний опір сонячного елемента, Rш - шунтового опір сонячного елемента.
Потужність всієї сонячної батареї складається з потужності входять в неї сонячних елементів, які можуть бути з'єднані послідовно або паралельно. Введемо позначення: I - максимальний струм окремого елемента, U - напруга окремого елемента, nпс - число послідовно з'єднаних елементів, Nпр - число паралельно з'єднаних елементів, Іб - максимальний струм сонячної батареї, Uб - напруга сонячної батареї.
При послідовному з'єднанні сонячних осередків маємо: Uб = U * nпс, Іб = I.
Рис.2 Послідовне з'єднання сонячних елементів.
При паралельному з'єднанні: Uб = U, Іб = I * Nпр
Рис.3 Паралельне з'єднання сонячних елементів.
Керуючись даним принципом можна розрахувати максимальний струм і напруга для будь-якої системи сонячних елементів
Наведемо приклад. Осередки з'єднані в три каскаду по 2 штуки, як показано на Рис.4
Рис.4 Схема з'єднання сонячних осередків в три каскаду.
Для даної системи маємо: Uб = 2U, Іб = 3I.
Роль діодів в схемі сонячної панелі
Як правило, в сонячної батареї все елементи з'єднані послідовно, внаслідок чого виникає так звана проблема «темної плями». Розглянемо сонячні панелі. що складаються з великого числа елементів, з'єднаних послідовно. До батареї підключена навантаження Rн. (Рис. 5)
Мал. 5 Схема сонячної панелі з великого числа елементів і під навантаженням
Припустимо, один з сонячних елементів затінений. Опір затіненій осередку набагато більше опору навантаження, отже, на ній виділиться майже вся енергія сонячної батареї, внаслідок чого осередок може перегрітися і вийти з ладу.
Для боротьби з таким явищем паралельно кожному осередку потрібно включити шунтирующий діод Rш, як показано на Рис. 6.
Мал. 6 Схема сонячної батареї з шунтирующими діодами.
В результаті, коли сонячний елемент висвітлений, шунтирующий діод знаходиться під прямим напругою зміщення самого сонячного елемента і струм не пропускає. Коли елемент затінений, тобто його напруга менше падіння напруги на ньому при протіканні струму, створюваного іншими осередками в ланцюзі, шунтирующий діод «відкритий» зворотною напругою зміщення.
У реальному житті діодами шунтируется не кожен сонячний елемент (це занадто складно і дорого), а групи елементів в сонячній батареї. Наприклад, батарея з 72 осередків 125 * 125мм, зазвичай має в своєму складі три шунтуючих діода.
В рамках даної статті, ми торкнулися основні фізичні принципи роботи сонячних фотоелектричних систем. Більш докладно тема викладена в монографії Г. Раушенбах. Довідник з проектування сонячних батарей: пров. з англ. - М. Вища школа, 1983.
Вам також можуть бути цікаві інші статті ..