Напряжение модуля, В

Рис. 3.9. Энергетическая характеристика фотоэлектрического модуля

Некоторые нагрузки, такие как нагреватели, имеют постоянное сопротивление, и потребляемая ими мощность зависит от квадрата напряжения. С другой стороны, мощность, потребляемая двигателями, в большей степени зависит от тока, чем от напряжения. Таким образом, в больших системах со смешанной нагрузкой изменение мощности приблизительно пропорционально изменению напряжения.

3.2. Солнечные батареи

Большинство фотоэлементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды (рис.3.10). Между p- и n- полупроводниками прокладывается фольга, для того чтобы нижняя часть фотоэлектрической ячейки оставалась в тени. Для преобразования светового потока в электрический ток металлические контакты устанавливаются с обеих сторон. Верхний контакт представляет собой металлическую сетку, интервал волокон в которой выбирают исходя из компромисса между максимизацией электрической проводимости и уменьшением сопротивления световому потоку (рис. 3.11, 3.12). Также лицевая часть ячейки имеет антирефлексивное покрытие для сокращения отражения. Механическая защита обеспечена защитным остеклением.

Первые фотодиоды были изготовлены в 1954 году. Технология их производства быстро совершенствуется. В настоящее время сформировано общественное мнение, что солнечные элементы получили наибольшее распространение в космической отрасли. Однако это далеко не так, и по-

77

лупроводниковые солнечные элементы в ряде развитых стран широко используются в промышленности и быту.

Рис. 3.10. Физика фотоэлектрической ячейки

отрицательный

электрон

примеси

кремния

Рис. 3.11. Структура солнечного элемента с p-n переходом

Полная стоимость солнечной батареи с 1974 по 2003 год упала со 100 до 2,5 долл. США на 1 Вт установленной мощности и продолжается дальнейшее снижение цены [7]. Однако даже при полной стоимости эле-

78

ментов 2,5 долл. США за 1 Вт при суточной облученности 20 Мдж/м2 и долговечности фотоэлементов около 20 лет стоимость электроэнергии составляет примерно 12 центов США за 1 кВт∙ч. При такой стоимости электроэнергии солнечные батареи могут конкурировать с дизельгенераторными установками, особенно в удаленных районах, где стоимость доставки топлива и обслуживания достаточно высока.

Основная область применения солнечных батарей связывается с осветительными системами, системами водоснабжения, удаленными станциями радиосвязи, маяками, дорожными знаками и космическими аппаратами.

полимерная пленка

Рис. 3.12. Схема устройства промышленного солнечного элемента

Батарея солнечных элементов обычно представляет собой комбинацию соединенных параллельно модулей. Солнечная ячейка, описанная выше, основной стандартный блок фотоэлектрической системы. Как правило, размер такой ячейки – несколько квадратных миллиметров, а снимаемая мощность – около 1 ватта. Для получения большей мощности несколько таких ячеек соединяют в последовательные схемы и размещают на модуле размером несколько квадратных дециметров (рис. 3.13).

Рис. 3.13 Модули из последовательно соединенных фотоэлементов

Солнечные батареи или панели представляют собой группы из нескольких модулей, электрически связанных в последовательнопараллельные комбинации для получения требуемых мощности и напряжения (рис. 3.14, 3.15). Солнечные панели могут быть уложены в различные каркасы (рис. 3.16). При установке панель находится в каркасе, кото-

79

рый может быть положен непосредственно на крышу. В недавно разработанной аморфной кремниевой технологии солнечные панели выполнены в виде черепицы, которая может заменить традиционную черепицу для крыши.

Главными факторами, влияющими на электрическое исполнение солнечных панелей, являются:

–интенсивность солнечного излучения;

–угол солнечных лучей;

–величина нагрузки;

–рабочая температура.

Рис. 3.14. Солнечная батарея из параллельно соединенных модулей

Выходные диоды

модуль

Рис. 3.15. Солнечная батарея из последовательно-параллельных комбинаций модулей

Величина светового потока максимальна в ясный солнечный день. При наличии небольшой облачности световой поток уменьшается прямо пропорционально уменьшению интенсивности солнечного излучения.

Вольт-ампер-ная характеристика сдвигается вниз при снижении интенсивности солнечного излучения (рис. 3.7).

80

Ячейка выдает ток нагрузки по закону I = I0 cos θ, где I0 – ток, который выдает ячейка при расположении ее плоскости перпендикулярно к падающим лучам, θ – угол падения солнечных лучей, отложенный от нормали (рис. 3.18). Этот закон дает приемлемый результат для θ от 0 до 50º. При увеличении θ более 50º значения выходных параметров значительно отклоняются от косинусоидальной зависимости, а при θ = 85º ячейка не генерирует никакой мощности. Фактическую зависимость генерируемой ячейкой мощности от угла солнечных лучей называют косинусом Kelly (табл. 3.1).

Рис. 3.18 . Угол падения солнечных лучей на фотоэлектрическую ячейку θ

Солнечная панель может включать множество параллельно связанных цепей из последовательно соединенных ячеек. Если ячейка в последовательной цепи полностью затенена, то она перестает генерировать напряжение, но из-за последовательной связи с освещенными ячейками по ней продолжает протекать ток. Так как затененная ячейка не генерирует напряжение и имеет внутреннее сопротивление, она из источника превращается в потребителя мощности. Потребляемая мощность разогревает затененную ячейку. Оставшиеся в последовательной цепи освещенные ячей-

82

ки должны выдавать большее напряжении, чтобы компенсировать падение напряжения в затененной ячейке. Увеличение выходного напряжения вызывает падение выходного тока в соответствии с вольт-амперной характеристикой (рис. 3.7). Снижение выходного тока не пропорционально затененной площади и может быть допустимым при умеренной тени небольшой площади. Однако при площади тени больше критического предела напряжение последовательной цепи достигает такого значения, при котором величина выходного тока снизится до нуля. А значит, последовательная цепь перестанет генерировать мощность.

Для устранения недостатка, связанного с теневым эффектом, длинную последовательную цепь делят на несколько коротких участков при помощи обходных диодов (рис.3.19). Таким образом, затененная область не обтекается током, а снижение суммарного напряжения последовательной цепи вызывает пропорциональное снижение выходного тока. В результате теряется не вся мощность последовательной цепи, а только ее часть. Некоторые современные солнечные панели выпускаются с уже установленными обходными диодами.

Модуль

солнечной

батареи

Рис. 3.19. Схема подключения обходных диодов в последовательный ряд модулей

С ростом температуры ток короткого замыкания увеличивается, а напряжение холостого хода уменьшается (рис. 3.7).Увеличение рабочей температуры ячейки на 1ºС приводит к снижению выдаваемой мощности на 0,45 %. Так как увеличение тока много меньше уменьшения напряжения, то при больших температурах ячейка генерирует меньшую мощность.

При небольшой облачности солнечные панели могут выдавать до 80 % от своей максимальной мощности. Даже в чрезвычайно пасмурный день

83