Параметры солнечной батареи и характеристики фотоэлектрической панели

Параметры и характеристики фотогальванического элемента

Что такое солнечный фотоэлектрический элемент?

Солнечная батарея – это полупроводниковое устройство, которое может преобразовывать солнечное излучение в электричество. Его способность преобразовывать солнечный свет в электричество без промежуточного преобразования делает его уникальным способом использования доступной солнечной энергии в полезное электричество. Вот почему они называются солнечными фотоэлектрическими элементами. На рис. 1 показан типичный солнечный элемент.

На электроэнергию, вырабатываемую солнечным элементом, влияют различные факторы, например:

• Интенсивность света:Чем выше количество солнечного света, падающего на ячейку, тем больше электроэнергии, вырабатываемой ячейкой.
• Площадь ячейки:при увеличении площади ячейки также увеличивается ток, генерируемый ячейкой.
• Угол падения:если свет, падающий на ячейку, перпендикулярен ее поверхности, мощность, генерируемая им, оптимальна. В идеале угол должен быть 90 ^o но практически он должен быть близок к 90 ^o .

Солнечная батарея представляет собой двухконтактное устройство. Один положительный (анод), другой отрицательный (катод). Солнечная батарея называется солнечным модулем или солнечной панелью, а солнечная панель называется фотогальванической батареей.

• Похожая статья:Как спроектировать и установить солнечную фотоэлектрическую систему?

Работа солнечной батареи

Солнечный свет — это группа фотонов с ограниченным количеством энергии. Для выработки электроэнергии клеткой она должна поглотить энергию фотона. Поглощение зависит от энергии фотона и ширины запрещенной зоны солнечного полупроводникового материала и выражается в электрон-вольтах (эВ).

Фотоны поглощаются полупроводниковым материалом, что приводит к образованию электронно-дырочных пар, где электроны имеют отрицательный заряд, а дырки - положительный. При подключении нагрузки происходит разделение электронов и дырок на переходе, дырки перемещаются в сторону анода, а электроны — в сторону катода.

Таким образом, разделение этих двух зарядов создает разность электрических потенциалов, и мы получаем напряжение на выводе ячейки. Это напряжение используется для управления током в цепи.

Публикация по теме:Полное руководство по установке солнечных батарей. Пошаговая процедура с расчетами и диаграммами

Параметры солнечной батареи

Преобразование солнечного света в электричество определяется различными параметрами солнечной батареи. Чтобы понять эти параметры, нам нужно взглянуть на кривую I – V, как показано на рисунке 2 ниже. Кривая построена на основе данных таблицы 1.

Таблица 1

Ампер	Вольт	Ватт
0	ВOC =11,4	0
0,2	11.06	2.21
0,4	10,59	4,24
0,5	10,24	5.12
0,6	9,54	5,72
0,61	9,39	5,73
ЯМ =0,62	ВМ =9,27	ПМ =5,75
0,63	9.08	5,72
0,64	8,72	5,58
ЯSC =0,65	0	0

Параметры ячейки задаются производителями в STC (стандартные условия испытаний). При STC соответствующее солнечное излучение равно 1000 Вт/м ² а рабочая температура ячейки равна 25 ^o C. Параметры солнечной батареи следующие:

Ток короткого замыкания (I_SC ):

Ток короткого замыкания — это максимальный ток, создаваемый солнечным элементом. Он измеряется в амперах (А) или миллиамперах (мА). Как видно из таблицы 1 и рисунка 2, напряжение холостого хода равно нулю, когда ячейка вырабатывает максимальный ток (I_SC =0,65 А).

Величина короткого замыкания зависит от площади ячейки, солнечного излучения от падения на ячейку, технологии ячейки и т. д. Иногда производители указывают плотность тока, а не значение тока. Плотность тока обозначается «J», а плотность тока короткого замыкания обозначается «J_SC ». Плотность тока короткого замыкания получается путем деления тока короткого замыкания на площадь солнечных элементов следующим образом:

J_SC =Я_SC / А

В качестве примера возьмем солнечный элемент с плотностью тока 40 мА/см ² . на СТК и площадью 200 см ² . Тогда ток короткого замыкания можно определить следующим образом;

Я_SC =Jsc × Площадь =40 мА/см ² × 200 см ² =8000 мА =8 А

Напряжение холостого хода (В_OC ):

Напряжение холостого хода – это максимальное напряжение, которое элемент может создать в условиях холостого хода. Измеряется в вольтах (В) или милливольтах (мВ). Как видно из таблицы 1 и рисунка 2, ток короткого замыкания равен нулю, когда ячейка выдает максимальное напряжение. Значение V_OC зависит от технологии ячейки и рабочей температуры ячейки.

Максимальная мощность (P_M ):

Максимальная мощность представляет собой максимальную мощность, которую солнечная батарея может производить в STC (т. е. солнечное излучение 1000 Вт/м ² и рабочей температуре ячейки 25 ^o С). Измеряется в Вт_Peak или просто W_P . Помимо STC, солнечный элемент имеет P_M при разных значениях яркости и рабочей температуры ячейки.

Ячейка может работать при различных комбинациях тока и напряжения. Но он может производить только максимальную мощность P_M при определенной комбинации напряжения и тока. Как показано на рисунке 2, точка максимальной мощности находится в изломе кривой I – V и является произведением I_M и В

P_M =Я_М × В_М =0,62 × 9,27 =5,75 Вт_P

Ток при максимальной мощности (I_M ):

Он представляет собой ток, который будет производить солнечная батарея при работе с максимальной мощностью PowerPoint. Обозначается I_M и видно на рисунке 2, что его значение всегда меньше тока короткого замыкания (I_КЗ ). Измеряется в амперах (А) или миллиамперах (мА).

Напряжение в точке максимальной мощности (В_M ):

Он представляет собой напряжение, которое будет производить солнечная батарея при работе с максимальным значением PowerPoint. Обозначается V_M и на рис. 2 видно, что его значение всегда меньше напряжения холостого хода (V_OC ). Измеряется в вольтах (В) или милливольтах (мВ).

Коэффициент заполнения (FF):

Он представляет область, покрываемую I_M – В_М прямоугольник с площадью, покрытой I_SC – V_ОС прямоугольник, показанный пунктирными линиями на рис. 2. Фактор заполнения представляет прямоугольность кривой I – V. Он представлен в процентах (%), чем выше коэффициент заполнения в процентах, тем лучше ячейка.

FF =P_M / (Я_СК ×V_ОС )

На основании данных таблицы 1 и рисунка 2 мы можем определить коэффициент заполнения следующим образом;

FF =[5,75 / (0,65 × 11,4)] × 100 =77,59 %

Представляется в процентах путем умножения на 100.

Эффективность (ƞ):

• Эффективность солнечного элемента определяется как максимальная выходная мощность (P_M ), деленная на входную мощность (P_IN ). Он измеряется в процентах (%), что указывает на то, что этот процент входной мощности солнечного света преобразуется в электрическую энергию. Входная мощность - это плотность мощности. Следовательно, для расчета эффективности умножьте P_IN в СТК по площади. Эффективность можно рассчитать следующим образом;

ƞ =P_M / (P_В × Площадь)

Если заданная площадь ячейки равна 0,01 м ² , П_М =5,75 Вт_P тогда эффективность при стандартных условиях испытаний может быть определена как;

ƞ =[5,75 Вт_P / (1000 Вт/м ² × 0,01 м ² )] =57,5 ​​%

Представляется в процентах путем умножения на 100.

• Похожая статья: Основные компоненты, необходимые для установки системы солнечных батарей

Фотоэлектрические технологии

На рынке представлен широкий выбор солнечных элементов, название технологии солнечных элементов зависит от материала, используемого в этой технологии. Следовательно, различные ячейки имеют разные параметры ячейки, такие как плотность тока короткого замыкания, эффективность, напряжение холостого хода, коэффициент заполнения и т. д. В следующей таблице 2 приведен список коммерчески доступных ячеек и диапазон значений их параметров.

Таблица 2

Тип ячейки	Эффективность (%)	Напряжение холостого хода (В)	Плотность тока (мА/см 2 )	Площадь ячейки (см 2 )	Коэффициент заполнения (FF)
Монокристаллический кремний	14 – 17	0,55 — 0,68	30 – 38	5 – 156	70–78
Поликристаллический кремний	14–16	0,55 — 0,65	30 – 35	5 – 156	70–76
Аморфный кремний	6 – 9	0,70–1,1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Теллурид кадмия	8 – 11	0,80–1,0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Селенид меди-индия-галлия	8 – 11	0,50–0,7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Арсенид галлия	30 – 35	1,0–2,5	15–35	1 – 4	70–85

• Похожая статья: Сколько ватт солнечной панели нам нужно для наших домашних электроприборов?

Факторы, влияющие на мощность, вырабатываемую солнечными батареями

Эффективность конверсии (ƞ):

Не весь свет, падающий на солнечный элемент, преобразуется в электрическую энергию. Эффективность преобразования называется отношением генерируемой электрической энергии к подводимой световой энергии. Мы не можем изменить эффективность ячейки, основываясь на производственном процессе и используемом в нем материале, и ее стоимость остается неизменной.

Максимальная мощность солнечной батареи P_M зависит от напряжения, которое он развивает на выводе ячейки, и тока, который он может обеспечить. Площадь ячейки является одним из важных факторов, влияющих на выходную мощность, развиваемую ячейкой. Значение выходной мощности можно определить для заданной входной мощности в (Вт/м ² ), эффективность преобразования ячейки в (%) и площадь ячейки в (м ² ).

Эффективность солнечной батареи указана в STC и входной мощности (P_IN ) принимается за 1000 Вт/м ² . Таким образом, используя приведенную ниже формулу, мы можем определить выходную мощность, генерируемую для различных значений эффективности.

P_M =(P_В × Площадь) × ƞ

Допустим, нам нужно рассчитать выходную мощность для STC с КПД 30 % и 25 % и площадью 0,01 м ² . . Таким образом, для эффективности 30% получаем;

P_M =(1000 Вт/м ² × 0,01 м ² ) × 0,30 =3 Вт_P

И получаем 25% эффективности;

P_M =(1000 Вт/м ² × 0,01 м ² ) × 0,25 =2,5 Вт_P

Количество входного света:

Интенсивность света, падающего на ячейку, меняется в течение дня. В зависимости от падающего на ячейку света изменяется ток и напряжение ячейки. Ток, генерируемый ячейкой, напрямую зависит от падающего на нее света.

С утра до полудня свет, падающий на ячейку, увеличивается, следовательно, ток, генерируемый ячейкой, также увеличивается. С полудня до захода солнца свет, падающий на ячейку, уменьшается, следовательно, ток, генерируемый ячейкой, также уменьшается. В выходном напряжении ячейки нет значительных изменений, так как на него не влияет изменение солнечного света.

Допустим, нам нужно рассчитать выходную мощность для ячейки площадью 0,01 м ² . при входной мощности 1000 Вт/м ² и 800 Вт/м ² с КПД 25%. Таким образом, при подводимой мощности 1000 Вт/м ² выходную мощность получаем следующим образом;

P_M =(1000 Вт/м ² × 0,01 м ² ) × 0,25 =2,5 Вт_P

И для входной мощности 800 Вт/м ² ;

P_M =(800 Вт/м ² × 0,01 м ² ) × 0,25 =2 Вт_P

Как мы видим, происходит уменьшение выходной мощности из-за уменьшения входной мощности. Таким образом, количество энергии, вырабатываемой ячейкой, пропорционально солнечному свету.

Похожая запись Типы солнечных панелей и какой тип солнечной панели лучше?

Область ячейки:

Ток короткого замыкания солнечного элемента зависит от площади элемента. Выходной ток прямо пропорционален площади ячейки. Чем больше площадь ячейки, тем больше генерируемый ток, и наоборот. Например, 200 см ² площадь будет производить ток 2 А и 200 см ² будет производить ток 4 А при той же освещенности 1000 Вт/м ² .

Как мы видели ранее, плотность тока получается путем деления тока на площадь ячейки. Плотность тока (Дж_SC ) фиксируется для данной интенсивности солнечного света и не зависит от площади. Возьмем пример, где нам нужно рассчитать выходной ток солнечной батареи площадью 20 см ² . и 50 см ² .

Постоянная плотность тока 35 мА/м ² . Выходной ток на 20 см ² можно рассчитать следующим образом;

Я_SC =J_SC × Площадь =35 мА/м ² × 20 см ² =0,70 А

Выходной ток для 50 см ² можно рассчитать следующим образом;

Я_SC =J_SC × Площадь =35 мА/м ² × 50 см ² =1,75 А

Таким образом, из вышеприведенного расчета видно, что чем больше площадь ячейки, тем выше значение тока и меньше площадь ячейки, ниже значение тока.

Угол света (θ):

Солнечный элемент производит максимальную выходную мощность для данного солнечного света, когда угол света и элемент перпендикулярны друг другу (т.е. 90 ^o ), как показано на рисунке 3. Когда угол падения света меньше или больше 90 ^o как показано на рисунке 3, выходная мощность будет ниже максимальной выходной мощности элемента.

Когда свет падает под углом больше или меньше 90 ^o некоторая часть света отражается, а утилизируемого клеткой света меньше, чем реально падающего на нее. Это приводит к уменьшению выходной мощности, генерируемой ячейкой. Именно по этой причине мы должны установить солнечный элемент под углом, перпендикулярным падающему свету, чтобы вырабатывать максимально возможное электричество.

Рабочая температура (T):

Производители предоставляют данные о напряжении, токе и номинальной мощности элемента для STC с коэффициентом излучения 1000 Вт/м ² . и температуре 25 ^o Но на практике температура солнечного элемента меняется из-за температуры окружающей среды, и в дальнейшем элементы заключены в стекло, из-за чего температура солнечного элемента еще больше повышается.

Это изменение температуры влияет на напряжение, мощность и КПД элемента, повышение температуры элемента выше STC снижает выход этих параметров. Снижение этих параметров отличается для разных солнечных элементов, доступных на рынке.

Давайте рассмотрим пример, чтобы понять уменьшение одного из параметров (например, напряжения). Ячейка имеет выходное напряжение 0,9 В при STC. Рабочая температура ячейки 50 ^o C. Выходное напряжение ячейки уменьшается на 2,1 мВ/ ^o C. каким может быть новое значение выходного напряжения?

ΔT =T_{фактическое} – T_{стандарт} =50 – 25 =25 ^о С

Пониженное выходное напряжение =напряжение холостого хода (В_OC ) при СТК – (Понижение напряжения – ΔT) =0,9 – (2,1 × 10 ^-3 × 25) =0,84 В

Из приведенного выше расчета можно сделать вывод, что происходит снижение выходного напряжения, если температура поднимается выше STC (т.е. выше 25 ^o С).

Заключение

Благодаря развитию полупроводниковой технологии мы можем преобразовывать солнечный свет в электричество. В этой статье мы изучили работу солнечного элемента, различные типы элементов, их различные параметры, такие как напряжение холостого хода, ток короткого замыкания и т. д., что помогает нам понять характеристики элемента. Также были изучены факторы, влияющие на мощность, генерируемую ячейкой, включая эффективность преобразования энергии, количество входного света, площадь ячейки и т. д., которые влияют на производительность и помогают нам понять поведение ячейки при другом сценарии. Зная технологию солнечных батарей, мы можем использовать ее наилучшим образом для удовлетворения наших повседневных потребностей в энергии.