Principy solárních panelů a jak fungují

Principy solárních panelů a jak fungují

Se stále napjatější globální energií se solární energie stala novým druhem energie, který se intenzivně rozvíjel, ve kterém v životě nejvíce využíváme solární článek. Solární panely jsou založeny na polovodičových materiálech, použití fotoelektrických materiálů k absorpci světelné energie po fotoelektrické přeměně tak, že generuje elektrický proud, tak jak funguje princip fungování solárních panelů? Solární článek je zařízení, které přímo přeměňuje světelnou energii na elektrickou energii prostřednictvím fotoelektrického jevu nebo fotochemického jevu. Když sluneční světlo dopadne na polovodič, část se odrazí od povrchu a zbytek je absorbován nebo propuštěn polovodičem. Část absorbovaného světla se samozřejmě stává teplem a některé fotony se srazí s valenčními elektrony atomů, které tvoří polovodič, což vede ke vzniku párů elektron-díra. Tímto způsobem světelná energie ve formě generování párů elektron-díra na elektrickou energii.

Princip fungování solárních článků

1, fotovoltaický efekt.

Přeměna energie solárních článků je založena na fotovoltaickém efektu polovodičového PN přechodu. Jak již bylo zmíněno dříve, když světlo ozáří polovodičové fotovoltaické zařízení, energie větší než šířka křemíkového zakázaného pásu fotonů přes reflexní film do křemíku, v oblasti N, oblasti vyčerpání a oblasti P při excitaci fotogenerovaných elektronů - páry otvorů.

Oblast vyčerpání: Ihned poté, co se fotogenerované páry elektron-díra vygenerují v oblasti vyčerpání, jsou odděleny vestavěným elektrickým polem, fotogenerované elektrony jsou poslány do oblasti N a fotogenerované díry jsou zatlačeny do P- kraj. Podle podmínky aproximace vyčerpání je koncentrace nosiče na hranici oblasti vyčerpání aproximována na 0, tj. p=n=0.

V oblasti N: po vytvoření fotogenerovaného páru elektron-díra difunduje fotogenerovaná díra směrem k hranici PN přechodu, a jakmile dosáhne hranice PN přechodu, je okamžitě vystavena účinku vestavěného elektrického pole, a je tažen silou elektrického pole, aby provedl unášený pohyb, překročil oblast vyčerpání do oblasti P a fotogenerované elektrony (multiplety) zůstaly v oblasti N.

V P-oblasti fotogenerované elektrony (oligony) také vstupují do N-oblasti nejprve difúzí a poté driftem a fotogenerované díry (multiplety) zůstávají v P-oblasti. To vytváří akumulaci kladných a záporných nábojů na obou stranách PN přechodu, takže N-oblast ukládá přebytek elektronů a P-oblast má přebytek děr. To má za následek vytvoření fotogenerovaného elektrického pole v opačném směru, než je vestavěné elektrické pole.

1. Kromě toho, že částečně kompenzuje roli potenciálního elektrického pole, fotogenerované elektrické pole také způsobí, že oblast P je kladně nabitá, oblast N záporně nabitá, v tenké vrstvě mezi oblastí N a oblastí P, aby se generoval elektrický potenciál, což je fotogenerovaný voltametrický efekt. Když je baterie připojena k zátěži, fotoproud z oblasti P přes tok zátěže do oblasti N, zátěž, která je výstupním výkonem.

2. Pokud je PN přechod otevřený, můžete změřit elektrický potenciál, nazývaný napětí naprázdno Uoc. Pro baterie z krystalického křemíku je typická hodnota napětí naprázdno 0.5 ~ 0.6 V. 3.

3. Pokud je vnější obvod zkratován, existuje ve vnějším obvodu fotoproud, který je úměrný energii dopadajícího světla a tento proud se nazývá zkratový proud Isc.

Faktory ovlivňující fotoproud:

1. Čím více párů elektron-díra je vytvořeno ve vrstvě rozhraní světlem, tím větší je proud.

2. Čím více světelné energie absorbuje mezifázová vrstva, tím větší je mezifázová vrstva, tj. čím větší je plocha článku, tím větší je proud vytvořený v solárním článku.

3. Oblast N, oblast vyčerpání a oblast P solárního článku mohou produkovat fotogenerované nosiče;

4. Fotogenerované nosiče v každé oblasti musí před složením překročit oblast vyčerpání, aby přispěly k fotoproudu, takže řešení skutečného fotogenerovaného proudu musí brát v úvahu různé faktory, jako je tvorba a složení, difúze a drift v každé oblasti. .

Ekvivalentní obvod solárního článku, výstupní výkon a faktor plnění

(1) Ekvivalentní obvod

Aby bylo možné popsat provozní stav baterie, je systém baterie a zátěže často modelován pomocí ekvivalentního obvodu.

1. zdroj konstantního proudu: při konstantním osvětlení solární článek v pracovním stavu, jeho fotoproud se nemění s provozním stavem, v ekvivalentním obvodu lze považovat za zdroj konstantního proudu.

2. Temný proud Ibk: Část fotoproudu protéká zátěží RL, která vytváří svorkové napětí U na obou koncích zátěže, které je zase kladně předpětí na PN přechodu, což vede ke vzniku temného proudu Ibk na opačném konci. směr fotoproudu.

3. Tímto způsobem je nakreslen ekvivalentní obvod ideálního PN homojunkčního solárního článku, jak je znázorněno na Obr.

4. Sériový odpor RS: Vzhledem ke kontaktu elektrod na přední a zadní straně, stejně jako skutečnosti, že samotný materiál má určitý odpor, nevyhnutelně vzniká dodatečný odpor jak v základní oblasti, tak ve vrchní vrstvě. Proud, který jimi protéká zátěží, nevyhnutelně způsobí ztráty. V ekvivalentním obvodu lze jejich celkový účinek vyjádřit pomocí sériového odporu RS.

5. Odpor bočníku RSh: V důsledku úniku na okrajích baterie a úniku z kovových můstků vytvořených na mikrotrhlinách, škrábancích atd. při výrobě metalizovaných elektrod atd. je část proudu, která by měla projít zátěží, zkratovaný a velikost tohoto efektu lze přirovnat k bočníkovému odporu RSh.

Když je proud tekoucí do zátěže RL I a svorkové napětí zátěže RL je U, získá se:

P v rovnici je výstupní výkon získaný při zátěži RL, když je solární článek ozářen.

(2) Výstupní výkon Když je proud tekoucí do zátěže RL I a svorkové napětí zátěže RL je U, získá se:

P v rovnici je výstupní výkon získaný při zátěži RL, když je solární článek ozářen. Při změně zátěže RL z 0 na nekonečno se výstupní napětí U změní z 0 na U0C a současně se změní výstupní proud z ISC na 0. Lze tak vykreslit zátěžovou charakteristiku solárního článku. Jakýkoli bod na křivce se nazývá pracovní bod, čára mezi pracovním bodem a počátkem se nazývá čára zatížení, převrácená hodnota sklonu čáry zatížení je rovna RL a pracovní bod odpovídající horizontále a vertikále souřadnice provozního napětí a proudu.

Upravte zatěžovací odpor RL na určitou hodnotu Rm, na křivce získáte bod M, odpovídající pracovnímu proudu Im a součin pracovního napětí Um je největší, to znamená: Pm = ImUm

Bod M se obecně nazývá optimální pracovní bod (nebo bod maximálního výkonu) solárního článku, Im je optimální pracovní proud, Um je optimální pracovní napětí, Rm je optimální zátěžový odpor a Pm je maximální výstupní výkon.

(3) Faktor plnění

1. Maximální výstupní výkon a poměr (Uoc × Isc) se nazývá faktor plnění (FF), který se používá k měření výstupních charakteristik solárních článků, je jedním z důležitých ukazatelů.

2. Faktor plnění charakterizuje silné a slabé stránky solárních článků, při určitém spektrálním ozáření platí, že čím větší FF, tím více "čtvercová" křivka, tím vyšší výstupní výkon.

4, účinnost solárních článků, faktory ovlivňující účinnost

(1) účinnost solárních článků.

Po ozáření solárního článku se poměr výstupního elektrického výkonu a výkonu dopadajícího světla η nazývá účinnost solárního článku, známá také jako účinnost fotoelektrické konverze. Obecně se týká maximální účinnosti přeměny energie, když je vnější obvod připojen k optimálnímu odporu zátěže RL.

Pokud je ve výše uvedené rovnici At nahrazeno efektivní plochou Aa (také známou jako aktivní plocha), to znamená z celkové plochy odečtené od plochy grafické plochy mřížky, aby se vypočítala vyšší účinnost. , na což je třeba upozornit při četbě domácí i zahraniční literatury.

Prince of United States nejprve vypočítal teoretickou účinnost křemíkových solárních článků na 21.7 %. 1970, Wolf (M. Wolf) provedl vyčerpávající diskusi, ale také získal teoretickou účinnost křemíkových solárních článků ve spektrálních podmínkách AM0 na 20 % až 22 % a později ji upravil na 25 % (spektrální podmínky AM1.0) .

Pro odhad teoretické účinnosti solárního článku je třeba vzít v úvahu všechny možné ztráty, které mohou nastat mezi dopadající světelnou energií a výstupní elektrickou energií. Některé z těchto ztrát souvisí s materiálem a procesem, zatímco jiné jsou dány základními fyzikálními principy.

(2) Faktory ovlivňující účinnost

Abychom to shrnuli, pro zlepšení účinnosti solárních článků je třeba zlepšit tři základní parametry, napětí naprázdno Uoc, zkratový proud ISC a faktor plnění FF. A tyto tři parametry jsou často propojeny, pokud jednostranné zvýšení jednoho z nich může tedy snížit druhý, takže celková účinnost se nejen nezlepší, ale také sníží. Proto při výběru materiálů musí být proces návrhu zvažován holisticky a snažit se maximalizovat součin všech tří parametrů.

1. Šířka pásma materiálu.

Napětí naprázdno UOC roste s rostoucí šířkou energetického pásma Eg, ale na druhé straně hustota zkratového proudu klesá s rostoucí šířkou energetického pásma Eg. V důsledku toho lze očekávat vrchol účinnosti solárních článků při definovaném Např. Nejvyšší účinnost lze očekávat u solárních článků vyrobených z materiálů s hodnotami Eg mezi 1.2 a 1.6 eV. Polovodič s přímou mezerou v pásmu je preferován pro tenkovrstvé články, protože absorbuje fotony blízko povrchu.

2. Teplota.

Difúzní délka oligonu se s teplotou mírně prodlužuje, takže s teplotou roste i fotovoltaický proud, ale UOC s teplotou prudce klesá. Faktor plnění klesá, takže účinnost přeměny klesá s rostoucí teplotou.

3.Ozáření.

Zkratový proud se zvyšuje lineárně s rostoucím ozářením a maximální výkon se stále zvyšuje. Soustředění slunečního světla na solární článek může způsobit, že malý solární článek produkuje velké množství elektřiny.

4. Dopingová koncentrace.

Dalším faktorem, který má významný vliv na UOC, je koncentrace dopingu polovodičů. Čím vyšší je koncentrace dopingu, tím vyšší je UOC. Pokud je však koncentrace nečistot v křemíku vyšší než 1018/cm3, nazývá se vysoce dopovaný, kvůli vysokému dopingu způsobenému zakázanou kontrakcí pásu nemohou být nečistoty plně ionizovány a pokles životnosti oligonu a další jevy souhrnně uváděné jako vysoký dopingový efekt, je třeba se také vyhnout.

5. Životnost fotogenerovaného nosného kompozitu.

U polovodičů solárních článků platí, že čím delší je životnost fotogenerovaného nosného komplexu, tím větší bude zkratový proud. Klíčem k dosažení dlouhé životnosti je vyhnout se tvorbě kompozitních center v procesu přípravy materiálu a výroby buněk. V tomto procesu mohou vhodné a často související procesy odstranit kompozitní střed a prodloužit životnost.

6. Rychlost skládání povrchu.

Nízká míra povrchového kompozitu pomáhá zlepšit Isc. Kompozitní poměr na předním povrchu se obtížně měří a často se předpokládá, že je nekonečný. Typ buňky nazývaný zadní pole (BSF) je navržen tak, aby difundoval další vrstvu P+ na zadní stranu buňky před nanesením kovového kontaktu.

7. sériový odpor a čáry kovové mřížky.

Sériový odpor pochází z olova, kovové kontaktní mřížky nebo odporu těla článku, zatímco čára kovové mřížky nemůže procházet slunečním světlem, aby se maximalizoval Isc, měla by čára kovové mřížky zabírat nejmenší plochu. Obecně vytvořte linii kovové mřížky do hustého a tenkého tvaru, můžete snížit sériový odpor a zároveň zvětšit plochu propustnosti světla baterie.

8. Přijetí designu sametových buněk a výběr vysoce kvalitní fólie snižující odraz.

Spoléhání se na povrchovou pyramidovou strukturu čtvercového kužele, vícenásobné odrazy světla, nejen snižuje ztrátu odrazem, ale také mění směr světla v křemíku dopředu a rozšiřuje optický rozsah, čímž se zvyšuje výtěžek fotogenerovaného nosiče; klikatý sametový povrch a zvětšit plochu PN přechodu, čímž se zvýší sběrná rychlost fotogenerovaných nosičů, takže se zkratový proud zvýší o 5 % až 10 % a zlepší se odezva baterie na červené světlo.

9. Vliv stínů na solární články.

Solární články mohou trpět nerovnoměrným ozářením v důsledku zastínění atd. a výstupní výkon je značně snížen.

V současné době lze aplikaci solárních článků z vojenské oblasti, leteckého a kosmického průmyslu do průmyslu, obchodu, zemědělství, komunikací, domácích spotřebičů a veřejných služeb a dalších sektorů, zejména decentralizovat v odlehlých oblastech, horách, pouštích, ostrovech a venkovských oblastech, aby ušetřit náklady na velmi drahé přenosové linky. V současné fázi je však jeho cena stále velmi vysoká, 1 kW elektrické energie je potřeba investovat desítky tisíc dolarů, takže použití ve velkém měřítku stále podléhá ekonomickým omezením.

Z dlouhodobého hlediska, se zlepšením technologie výroby solárních panelů a vynálezem nových zařízení pro přeměnu světla na elektřinu, ochranou životního prostředí a obrovskou poptávkou po obnovitelné čisté energii, budou solární články stále využívat sluneční záření. energie je praktičtější a schůdnější způsob, jak využít sluneční energii pro budoucnost rozsáhlého využívání sluneční energie lidstvem, aby se otevřela široká škála vyhlídek.

Může přenosná elektrárna provozovat lednici?

Může přenosná elektrárna provozovat lednici?

Tento solární panel vyrábí elektřinu v noci, jak to dělá?

Tento solární panel vyrábí elektřinu v noci, jak to dělá?

Prázdný obsah. Vyberte článek pro náhled

Získejte bezplatné řešení

Pro Váš Projekt

Můžeme vám zdarma přizpůsobit vaše vlastní řešení

kontaktujte nás