Фотоелементи

В фотоелементах енергія сонячного випромінювання безпосередньо перетворюється на електричну енергію, що зумовлює їх просту конструкцію. Послідовно або паралельно з’єднані фотоелементи утворюють фотобатареї, які виготовляються у вигляді пласких модулів. Фотобатареї, які працюють на спільне навантаження, утворюють електростанції. В порівняні з СЕС на основі термодинамічного циклу, вони потребують менших витрат на спорудження і експлуатацію, що дозволяє здешевити вартість енергії, отриманої з СЕС. Модульна конструкція спрощує налаштування СЕС і дозволяє використовувати їх у побутовому секторі.

Фотоелементи виготовляються на основі напівпровідникових структур з різною провідністю або зміною хімічного складу напівпровідників. Переважна частина фотоелементів виготовляються з кремнію. ККД фотоелементів залежить від однорідності структури напівпровідника і його фотопровідності. Тому для фотоелементів використовують кремній з малою кількістю дефектів. Приблизно 80% всіх модулів виготовляються на основі полі- або монокристалічного кремнію. Фотоелементи на основі монокристалічного кремнію мають ККД до 17 % (середній показник 14 %), полікристалічного – в середньому 12 %. Строк служби кристалічних елементів складає 30-50 років. Фотоелементи на основі аморфного кремнію мають низький ККД (біля 8 %) і стабільність, тому рідко застосовуються в силовому обладнанні. Вартість фотоелементів визначається вартістю використаного в ній кремнію. Оскільки для отримання необхідного ККД використовують кремній з найменшою кількістю домішок, його вартість є достатньо високою. Тому вартість фотобатареї в основному визначається масою використаного в ній кремнію. В тонко плівкових фотоелементах для зменшення обсягу кремнію його напилюють тонким шаром на підложку (металічні стрічки, скло, полімерні плівки). За рахунок зменшення обсягу кремнію і простій технологію виробництва тонкоплівкові фотоелементи мають меншу вартість. ККД тонкоплівкових фотоелементів складає 8 %, недоліком таких фотоелементів є деградація їх властивостей під дією сонячного випромінювання. В органічних фотоелементах замість кремнію використовують дешеві барвники або полімери. ККД полімерних фотоелементів не перевищує 10 %.

Структура кремнієвого фотоелемента показана на рис. 4.

Рис. 4. Напівпровідниковий фотоелемент

Кремнієвий фотоелемент складається з напівпровідника, освітлена частина якого має провідність n-типу, темнова – р-типу, і двох електродів. До

області n-типу під’єднаний смужковий електрод з невеликою площею для збільшення ефективної площі освітленого напівпровідника. На тильній стороні області р-типу розташований суцільний електрод. Під дією фотонів світла в атомах напівпровідника n-типу електрон переходить з валентної зони до зони провідності, в результаті чого утворюється два носії заряду – вільний електрон і дірка, які у зовнішньому колі утворюють постійний струм. Еквівалентна схема заміщення фотоелемента і його ВАХ показані на рис. 5.

а) схема заміщення фотоелемента б) ВАХ фотоелемента

Рис. 5. Характеристики фотоелемента

Основними параметрами фотоелемента є величина фотоструму І_Ф, струм короткого замикання І_К.З., напруга холостого ходу U_X.X. і сумарний активний опір фотоелемента R_Ф, який складається з опору фронтальної області напівпровідника n-типу, опору контакту напівпровідник n-типу -електрод і опору смужкового електроду. Фотострум І_Ф утворюють вільні носії заряду освітленого фотоелемента. Струм короткозамкнутого фотоелемента дорівнює фотоструму І_Ф = І_К.З. При підключенні до фотоелемента навантаження частина фотоструму протікає через навантаження, а інша частина замикається через р-n перехід фотоелемента. Якщо зовнішнє коло розімкнути весь фотострум протікає через р-n перехід фотоелемента. При цьому напруга на фотоелементі є максимальною і дорівнює напрузі холостого ходу U_X.X. (для кремнієвого фотоелемента U_X.X. ≈ 0.6 В). Величина фотоструму залежить від освітленості і площі фотоелемента. ВАХ фотоелемента рис. 5 б) апроксимується наступною формулою:

, (1)

де І₀ – зворотній струм діода,

q = 1.6·10^-19 Кл, заряд електрона,

k = 1.38·10^-23 Дж/К – стала Больцмана,

Т – абсолютне значення температури,

А – константа, значення якої знаходиться в межах 1..2.

Фотобатарея складається з декількох ланцюжків послідовно з’єднаних однотипних фотоелементів. Послідовно з кожним ланцюжком фотоелементів включається діод. Він використовується для усунення зворотних струмів через ланцюжок фотоелементів, який має меншу ніж у інших фото ЕРС через затінення одного з його фотоелементів. В цьому випадку затемнення ланцюжка призводить до відключення відповідного ланцюжка від навантаження. Фотобатарея з трьох ланцюжків, в кожному з яких три фотоелементи показана на рис. 6.

ВАХ фотобатареї знаходиться сумуванням ВАХ її фотоелементів. Виробники наводять ВАХ фотобатарей при різній потужності сонячного випромінювання, номінальна потужність визначається за умови величини випромінювання 1 000 Вт/м² і узгодженості опору навантаження з вихідним опором фотобатареї R_H = R_ВИХ. При інших значеннях опору навантаження від фотобатареї відбирається менша потужність. Типові ВАХ фотоелемента і криві його потужності наведені на рис. 7.

Рис. 6. Фотобатарея З рисунку видно, що фотострум фотобатареї змінюється пропорційно освітленості, при цьому

напруга холостого ходу змінюється незначно. Точка максимальної потужності знаходиться в межах 0.8..0.9 U_X.X. і майже не залежить від потужності сонячного випромінювання.

Рис. 7. Сімейства ВАХ і кривих потужності фотобатареї

Функцію узгодження вихідного опору фотобатареї і опору навантаження виконує перетворювач постійної напруги, який працює в режимі стабілізації вхідного струму або напруги. Для акумулювання електричної енергії на виході перетворювача встановлюється акумуляторна батарея. Структура автономного джерела живлення постійного струму на основі фотобатареї показана на рис. 8. Для живлення споживачів змінним струмом або генерації енергії в мережу на виході системи встановлюється інвертор напруги.

Рис. 8. Автономне джерело живлення на основі фотобатареї

Для визначення робочої точки фотобатареї з максимальною потужністю системою керування вимірюються миттєві значення вихідного струму і напруги фотобатареї і розраховується її вихідна потужність. Після чого за допомогою перетворювача робоча точка фотобатареї зміщується в певному напрямку (збільшення або зменшення струму фотобатареї) і процес розрахунку потужності повторюється. Шляхом порівняння потужностей в сусідніх робочих точках знаходиться точка з максимальною потужністю. При відомих параметрах фотобатареї І_Ф, U_X.X., R_Ф, А точку з максимальною потужністю можливо знайти з формули (1). Для цього з формули виражають U_H:

. (2)

Залежність потужності Р_Н від струму знаходиться з (2) множенням цього виразу на струм навантаження І_Н:

. (3)

Точка максимальної потужності знаходиться прирівнюванням похідної потужності до нуля:

. (4)

З рівняння (4) знаходиться струм І_Н, при якому в навантаження віддається максимальна потужність.

Перетворювачі постійної напруги в системі з фотобатареєю повинні мати неперервний вхідний струм. Цій умові відповідають такі типи перетворювачів: підвищуючого типу, перетворювач Кука, SEPIC перетворювач, двотактні перетворювачі з дроселем в первинному ланцюгу. При використанні інших перетворювачів на виході фотобатареї необхідно встановити конденсатор. Перетворювач підвищуючого типу має найпростішу конструкцію і найвищий ККД при потужностях до 200 Вт, тому часто використовується на практиці.

Методика розрахунку системи електроживлення на основі фотобатареї

Вхідні дані для розрахунку:

- еквівалентний опір навантаження по постійному струму R_H;

- потужність навантаження по змінному струму Р_Н~;

- потужність навантаження по постійному струму Р_Н=;

- ККД інвертора напруги η_і;

- ККД перетворювача постійної напруги η_і;

- ККД акумулятора η_А;

- потужність сонячного випромінювання Е (з врахуванням кута нахилу сонячної батареї відносно напрямку випромінювання);

- час роботи системи енергоживлення на акумуляторних батареях при відсутності сонячного випромінювання t_A.

Розрахунок

1. Сумарна потужність навантаження по постійному струму:

. (5)

2. Ємність акумуляторних батарей:

, (6)

де q – допустима глибина розряду (залежить від типу акумулятора).

3. Розрахунок величини напруги на виході перетворювача для отримання потужності Р_НΣ:

. (7)

4. Визначення з ВАХ фотомодуля точки з максимальною потужністю І_м, U_м при заданому освітлені, розрахунок максимальної потужності Р_м.

5. Розрахунок мінімальної кількості фотомодулів для забезпечення необхідної потужності:

. (8)

6. Визначення методу з’єднання фотомодулів у батарею (кількість послідовно і паралельно з’єднаних фотомодулів). На цьому етапі кількість фотомодулів може коректуватись в сторону збільшення.

7. Визначення точки з максимальною потужністю фотобатареї І_ф, U_ф.

, (9)

, (10)

де – N_ПАР, N_ПОСЛ – кількість паралельно і послідовно з’єднаних фотомодулів.

8. Розрахунок площі фотобатареї:

, (11)

де S₀ – площа одного фотомодуля.

9. Розрахунок співвідношення між напругою на навантаженні і на фотобатареї:

. (12)

10. Розрахунок параметру керування перетворювачем постійної напруги за значенням k.