Основные компоненты фотовольтаических установок. Фотоэлектрический генератор

Аннотация

В данной статье рассматриваются принцип действия фотоэлектрических элементов, классификация фотоэлектрических систем, устройство солнечного модуля.

Принцип действия фотоэлектрических элементов

Элементарной составляющей солнечной панели является фотоэлектрический элемент, в котором осуществляется преобразование солнечного излучения в электрический ток. Солнечный элемент образован тонким слоем полупроводникового материала, обычно соответствующим образом обработанного кремния, толщиной около 0,3 мм и площадью от 100 до 225 см².

Кремний, имеющий четыре валентных электрона (четырехвалентный), легируется путем введения на одну сторону трехвалентных атомов (например, бора – p-легирование), а с другой стороны – небольшим количеством пятивалентных атомов (например, фосфора – n-легирование). Область p-типа имеет избыток дырок, а область n-типа имеет избыток электронов (рис. 1).

В обедненной области (рис. 2) между двумя слоями с различным легированием (p-n-переход) электроны стремятся перейти от области высокой электронной плотности (n) в область низкой электронной плотности (p), в результате чего p-область накапливает отрицательный заряд, а n-область получает приносимый дырками положительный заряд. При этом возникает электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии электрических зарядов. При подаче внешнего напряжения, p-n-переход позволяет течь току только в одном направлении (выпрямительное свойство) [1].

При поглощении кванта света электрон, присутствующий в валентной зоне материала (как правило, полупроводника), переходит в зону проводимости. В полупроводниковых материалах валентные электроны, как и в изоляционных материалах, не могут свободно перемещаться, но в полупроводниках разность энергий между валентной зоной и зоной проводимости (типичная для проводников) по сравнению с изоляционными материалами очень мала, так что электроны могут легко перемещаться в зону проводимости, когда они получают энергию. Такая энергия может быть обеспечена световым излучением. Это явление называется фотовольтаическим эффектом.

При воздействии света на солнечный элемент, в результате фотовольтаического эффекта как в n-, так и в p-областях возникают электронно-дырочные пары. Внутреннее электрическое поле позволяет избыточным электронам (вызванным поглощением фотонов) отделяться от дырок и перемещать их в противоположных направлениях. Как только электроны покинули обедненную область, они не могут попасть назад, так как поле препятствует их протеканию в обратном направлении. При подключении p-n-перехода к внешнему проводнику образуется замкнутая цепь, в которой ток течет от p-слоя с более высоким потенциалом к n-слою, имеющему более низкий потенциал, пока на солнечный элемент поступает свет (рис. 3)

Область кремния, способствующая появлению электрического тока, находится вблизи p-n-перехода. В более отдаленных областях генерируются электрические заряды, но электрическое поле, которое заставляет электроны двигаться, отсутствует, что вызывает их рекомбинацию. Поэтому важно, чтобы солнечный элемент имел большую площадь поверхности: чем больше площадь поверхности, тем больше генерируемый ток. На рисунке 4 показаны процессы, происходящие в солнечном элементе при воздействии на него света (фотовольтаический эффект).

Энергетический баланс солнечного элемента, показывает, что от солнечной энергии, попадающей на поверхность солнечного элемента, лишь малая часть преобразуется в электрическую энергию:

• 100 % падающей солнечной энергии;
• -3 % – потери из-за отражения и затенения фронтальными контактами;
• -23 % – от фотонов с большой длиной волны, но недостаточной энергией для высвобождения электронов;
• -32 % – от фотонов с короткой длиной волны, но слишком большой энергией (происходит пропускание фотонов);
• -8,5 % – из-за рекомбинация свободных носителей заряда;
• -20 % – электрический градиент в элементе, прежде всего в области p-n-перехода;
• -0,5 % – потери в электрической линии;
• =13 % – полезной электрической энергии.

Классификация фотоэлектрических систем

ЭВ стандартных условиях эксплуатации (мощность солнечного излучения 1 кВт/м² при температуре 25 °C) солнечный элемент обеспечивает ток около 3 A с напряжением 0,5 В и пиковой мощностью 1,5–1,7 Вт.

Один солнечный элемент не позволяет получить достаточную мощность, поэтому обычно их соединяют в модули. Наиболее часто встречаются модули, у которых 36 солнечных элементов расположены в 4 параллельных рядах и соединены последовательно, с площадью от 0,5 до 1 м². Несколько механически и электрически соединенных модулей образуют панель, которая может быть закреплена на земле или на здании (рисунок 5).

Несколько панелей, электрически соединенных последовательно, образуют солнечные батареи, которые в свою очередь могут быть электрически соединены параллельно и представляют собой солнечную электростанцию (рис. 6)

Солнечные элементы в модулях не идентичны из-за неизбежных различий в изготовлении, поэтому два параллельно соединенных блока солнечных элементов не обязательно имеют одинаковое напряжение. В результате ток течет от блока солнечных элементов с более высоким напряжением к блоку с более низким напряжением. Поэтому часть генерируемой мощности теряется внутри самого модуля (потери на рассогласование). Различие между солнечными элементами также может быть связано с различным солнечным излучением. Например, некоторые из элементов могут быть затенены или загрязнены. Эти элементы ведут себя как диод, блокируя ток, генерируемый другими элементами. Диод находится под напряжением других элементов, что может привести к пробою p-n-перехода с локальным перегревом и повреждению модуля. Поэтому модули снабжаются байпасными диодами, которые ограничивают это явление, замыкая накоротко затененную или поврежденную часть модуля. Потери на рассогласование могут также возникнуть между батареями солнечной электростанции из-за неидентичности модулей, разной освещенности батарей, их затененности или повреждения. Чтобы избежать возникновения обратного тока между батареями, могут быть также установлены диоды.

Устройство солнечного модуля

.

Элементы, составляющие модуль, инкапсулируются в сборочную систему, которая имеет следующие функции:

• электрически изолирует солнечные элементы;
• защищает элемент от влияния погодных условий и от механических воздействий;
• препятствует ультрафиолетовому излучению, защищает от низких температур, резких изменений температуры;
• легко отводит тепло, что позволяет избежать повышение температуры при генерировании солнечным элементом энергии.

Эти свойства должны поддерживаться на протяжении всего срока службы модуля. На рисунке 7 показано поперечное сечение стандартного модуля из кристаллического кремния, который имеет следующую структуру:

• защитный слой на верхней стороне, подверженный воздействию света, характеризующийся высокой прозрачностью (наиболее часто используемый материал – закаленное стекло);
• материал для инкапсуляции, чтобы избежать прямого контакта между стеклом и солнечным элементом, устранить полости, которые имеются вследствие поверхностных дефектов солнечных элементов, и электрически изолировать солнечный элемент от остальной части модуля. В технологических процессах, в которых выполняется одна фаза прокатки, часто используется пластиковая пленка этиленвинилацетата (EVA);
• материал подложки (стекло, металл, пластик) на нижней части;
• металлическая рама, обычно выполненная из алюминия

В модулях из кристаллического кремния металлические контакты используются для соединения солнечных элементов, и припаиваются после их изготовления. В тонкопленочных модулях электрическое соединение является частью процесса изготовления солнечных элементов и обеспечивается слоем прозрачных оксидов металлов, таких как оксид цинка или оксид олова.

Выводы

Таким образом, в статье были рассмотрены принцип действия фотоэлектрических элементов, классификация фотоэлектрических систем, устройство солнечного модуля.

Список использованной литературы

1. Technical Application Papers No.10 Photovoltaic plant, 2011.