Si funksionojnë qelizat diellore

Qelizat diellore thithin rrezet e diellit për të prodhuar funksionet e baterive të zakonshme. Por ndryshe nga bateritë tradicionale, voltazhi i daljes dhe fuqia maksimale e daljes së baterive tradicionale janë fikse, ndërsa tensioni i daljes, rryma dhe fuqia e qelizave diellore lidhen me kushtet e ndriçimit dhe pikat e funksionimit të ngarkesës. Për shkak të kësaj, për të përdorur qelizat diellore për të gjeneruar energji elektrike, duhet të kuptoni marrëdhënien aktuale-tension dhe parimin e punës së qelizave diellore.

Ndriçimi spektral i dritës së diellit:

Burimi i energjisë i qelizave diellore është rrezet e diellit, kështu që intensiteti dhe spektri i dritës së diellit të rënë përcaktojnë rrymën dhe tensionin e daljes nga qeliza diellore. Ne e dimë se kur një objekt vendoset nën diell, ai merr rrezet e diellit në dy mënyra, njëra është rrezet e diellit direkte dhe tjetra është rrezet e diellit difuze pasi shpërndahen nga objekte të tjera në sipërfaqe. Në rrethana normale, drita e përplasjes direkte përbën rreth 80% të dritës së marrë nga një qelizë diellore. Prandaj, diskutimi ynë në vijim do të fokusohet gjithashtu në ekspozimin e drejtpërdrejtë ndaj dritës së diellit.

Intensiteti dhe spektri i dritës së diellit mund të shprehet nga rrezatimi i spektrit, që është fuqia e dritës për njësi gjatësi vale për njësi sipërfaqe (W/㎡um). Intensiteti i dritës së diellit (W/㎡) është shuma e të gjitha gjatësive valore të ndriçimit të spektrit. Ndriçimi i spektrit të dritës së diellit lidhet me pozicionin e matur dhe këndin e diellit në raport me sipërfaqen e tokës. Kjo është për shkak se drita e diellit do të absorbohet dhe shpërndahet nga atmosfera përpara se të arrijë në sipërfaqen e tokës. Dy faktorët e pozicionit dhe këndit përfaqësohen përgjithësisht nga e ashtuquajtura masa e ajrit (AM). Për ndriçimin diellor, AMO i referohet situatës në hapësirën e jashtme kur dielli shkëlqen drejtpërdrejt. Intensiteti i tij i dritës është afërsisht 1353 W/㎡, që është afërsisht i barabartë me burimin e dritës të prodhuar nga rrezatimi i trupit të zi me një temperaturë prej 5800K. AMI i referohet situatës në sipërfaqen e tokës, kur dielli shkëlqen drejtpërdrejt, intensiteti i dritës është rreth 925 W/m2. AMI.5 i referohet situatës në sipërfaqen e tokës, kur dielli bie në një kënd prej 45 gradë, intensiteti i dritës është rreth 844 W/m2. AM 1.5 përdoret përgjithësisht për të përfaqësuar ndriçimin mesatar të dritës së diellit në sipërfaqen e tokës. Modeli i qarkut të qelizave diellore:

Kur nuk ka dritë, një qelizë diellore sillet si një diodë lidhëse pn. Marrëdhënia aktuale-tension e një diode ideale mund të shprehet si

Ku I përfaqëson rrymën, V përfaqëson tensionin, Is është rryma e ngopjes dhe VT=KBT/q0, ku KB përfaqëson konstanten BoItzmann, q0 është ngarkesa elektrike njësi dhe T është temperatura. Në temperaturë ambienti VT=0.026v. Duhet të theksohet se drejtimi i rrymës së diodës Pn përcaktohet që të rrjedhë nga tipi P në llojin n në pajisje, dhe vlerat pozitive dhe negative të tensionit përcaktohen si potenciali i terminalit të tipit P. minus potencialin terminal të tipit n. Prandaj, nëse ndiqet ky përkufizim, kur qeliza diellore është duke punuar, vlera e tensionit të saj është pozitive, vlera aktuale është negative dhe kurba IV është në kuadrantin e katërt. Lexuesve duhet t'u kujtohet këtu se e ashtuquajtura diodë ideale bazohet në shumë kushte fizike, dhe diodat aktuale natyrisht do të kenë disa faktorë joidealë që ndikojnë në marrëdhënien rrymë-tension të pajisjes, siç është rryma gjenerimi-rikombinimi, këtu Ne do' mos e diskutoni shumë. Kur qeliza diellore është e ekspozuar ndaj dritës, do të ketë fotorrymë në diodën pn. Për shkak se drejtimi i fushës elektrike të integruar të kryqëzimit pn është nga tipi n në tipin p, çiftet elektron-vrima të krijuara nga thithja e fotoneve do të shkojnë drejt skajit të tipit n, ndërsa vrimat do të shkojnë drejt p. -fund tipi. Fotorryma e formuar nga të dy do të rrjedhë nga tipi n në llojin p. Në përgjithësi, drejtimi i rrymës së përparme të një diode përcaktohet si rrjedhje nga tipi p në tipin n. Në këtë mënyrë, krahasuar me një diodë ideale, fotorryma e krijuar nga një qelizë diellore kur ndriçohet është një rrymë negative. Marrëdhënia rrymë-tension e qelizës diellore është dioda ideale plus një fotorrymë negative IL, madhësia e së cilës është:

Me fjalë të tjera, kur nuk ka dritë, IL=0, qeliza diellore është vetëm një diodë e zakonshme. Kur qeliza diellore është me qark të shkurtër, pra V=0, rryma e lidhjes së shkurtër është Isc=-IL. Kjo do të thotë, kur qeliza diellore është e lidhur me qark të shkurtër, rryma e qarkut të shkurtër është fotorryma e krijuar nga drita rënëse. Nëse qeliza diellore është qark i hapur, pra nëse I=0, tensioni i qarkut të hapur të saj është:

Figura 2. Qarku ekuivalent i qelizës diellore: (a) pa, (b) me rezistorë seri dhe shant. Këtu duhet theksuar se voltazhi i qarkut të hapur dhe rryma e qarkut të shkurtër janë dy parametra të rëndësishëm të karakteristikave të qelizave diellore.

Fuqia e prodhimit të një qelize diellore është produkt i rrymës dhe tensionit:

Natyrisht, fuqia e prodhuar nga qeliza diellore nuk është një vlerë fikse. Ajo arrin vlerën maksimale në një pikë të caktuar funksionimi të tensionit aktual dhe fuqia maksimale e daljes Pmax mund të përcaktohet nga dp/dv=0. Mund të nxjerrim përfundimin se voltazhi i daljes në fuqinë maksimale të daljes Pmax është:

dhe rryma e daljes është:

Fuqia maksimale e daljes së qelizës diellore është:

Efikasiteti i një qelize diellore i referohet raportit të qelizës diellore që konverton pinin e fuqisë së dritës së rënë në fuqinë elektrike maksimale të daljes, domethënë:

Matjet e përgjithshme të efikasitetit të qelizave diellore përdorin një burim drite të ngjashëm me dritën e diellit me pin=1000W/㎡.

Eksperimentalisht, marrëdhënia rrymë-tension i qelizave diellore nuk ndjek plotësisht përshkrimin teorik të mësipërm. Kjo ndodh sepse vetë pajisja fotovoltaike ka të ashtuquajturën rezistencë serike dhe rezistencë shunt. Për çdo material gjysmëpërçues, ose kontaktin midis një gjysmëpërçuesi dhe një metali, në mënyrë të pashmangshme do të ketë një rezistencë më të madhe ose më të vogël, e cila do të formojë rezistencën serike të pajisjes fotovoltaike. Nga ana tjetër, çdo rrugë e rrymës përveç diodës ideale Pn midis elektrodave pozitive dhe negative të pajisjes fotovoltaike do të shkaktojë të ashtuquajturën rrymë rrjedhjeje, siç është rryma e gjenerimit të rikombinimit në pajisje. , rryma e rikombinimit të sipërfaqes, izolimi jo i plotë i skajit të pajisjes dhe kryqëzimi i depërtimit të kontaktit metalik.

Zakonisht, ne përdorim rezistencën e shuntit për të përcaktuar rrymën e rrjedhjes së qelizave diellore, domethënë Rsh=V/Ileak. Sa më e madhe të jetë rezistenca e shuntit, aq më e vogël është rryma e rrjedhjes. Nëse marrim parasysh rezistencën e bashkimit Rs dhe rezistencën e shuntit Rsh, marrëdhënia rrymë-tension e qelizës diellore mund të shkruhet si:

Mund të përdorim gjithashtu vetëm një parametër, të ashtuquajturin faktor mbushjeje, për të përmbledhur si efektet e rezistencës serike ashtu edhe të rezistencës së shuntit. përcaktuar si:

Është e qartë se faktori i mbushjes është maksimal nëse nuk ka rezistencë seri dhe rezistenca e shuntit është e pafundme (pa rrymë rrjedhjeje). Çdo rritje e rezistencës serike ose ulje e rezistencës së shuntit do të zvogëlojë faktorin e mbushjes. Në këtë mënyrë,. Efikasiteti i qelizave diellore mund të shprehet me tre parametra të rëndësishëm: tensioni i qarkut të hapur Voc, rryma e qarkut të shkurtër Isc dhe faktori mbushës FF.

Natyrisht, për të përmirësuar efikasitetin e një qelize diellore, është e nevojshme që njëkohësisht të rritet tensioni i qarkut të hapur, rryma e qarkut të shkurtër (d.m.th., fotorryma) dhe faktori i mbushjes (d.m.th., zvogëloni rezistencën e serisë dhe rrymën e rrjedhjes).

Tensioni i qarkut të hapur dhe rryma e qarkut të shkurtër: Duke gjykuar nga formula e mëparshme, voltazhi i qarkut të hapur të qelizës diellore përcaktohet nga fotorryma dhe qeliza e ngopur. Nga këndvështrimi i fizikës së gjysmëpërçuesve, voltazhi i qarkut të hapur është i barabartë me diferencën e energjisë Fermi midis elektroneve dhe vrimave në rajonin e ngarkesës hapësinore. Sa i përket rrymës së ngopjes së një diode ideale Pn, mund të përdorni:

për të shprehur. ku q0 përfaqëson ngarkesën njësi, ni përfaqëson përqendrimin e brendshëm të bartësit të gjysmëpërçuesit, ND dhe NA secila përfaqëson përqendrimin e dhuruesit dhe marrësi, Dn dhe Dp secili përfaqëson koeficientin e difuzionit të elektroneve dhe vrimave, shprehja e mësipërme supozon n - Rasti kur rajoni i tipit dhe rajoni i tipit p janë të dyja të gjera. Në përgjithësi, për qelizat diellore që përdorin nënshtresa të tipit p, zona e tipit n është shumë e cekët dhe shprehja e mësipërme duhet modifikuar.

Ne përmendëm më herët se kur një qelizë diellore ndriçohet, gjenerohet një fotorrymë dhe fotorryma është rryma e qarkut të mbyllur në marrëdhënien rrymë-tension të qelizës diellore. Këtu do të përshkruajmë shkurtimisht origjinën e fotorrymës. Shkalla e gjenerimit të bartësve në njësi vëllimi për njësi të kohës (njësia m -3 s -1) përcaktohet nga koeficienti i thithjes së dritës, d.m.th.

Midis tyre, α përfaqëson koeficientin e absorbimit të dritës, që është intensiteti i fotoneve të incidentit (ose dendësia e fluksit të fotonit), dhe R i referohet koeficientit të reflektimit, pra përfaqëson intensitetin e fotoneve të incidentit që nuk reflektohen. Tre mekanizmat kryesorë që gjenerojnë fotorrymë janë: rryma e difuzionit të elektroneve bartës të pakicës në rajonin e tipit p, rryma e difuzionit të vrimave bartëse të pakicës në rajonin e tipit n dhe zhvendosja e elektroneve dhe vrimave në rajonin e ngarkesës hapësinore. aktuale. Prandaj, fotorryma mund të shprehet përafërsisht si:

Midis tyre, Ln dhe Lp përfaqësojnë secila gjatësinë e difuzionit të elektroneve në rajonin e tipit p dhe vrimave në rajonin e tipit n, dhe është gjerësia e rajonit të ngarkesës hapësinore. Duke përmbledhur këto rezultate, marrim një shprehje të thjeshtë për tensionin e qarkut të hapur:

ku Vrcc përfaqëson shpejtësinë e rikombinimit të çifteve elektron-vrima për njësi vëllimi. Sigurisht, ky është një rezultat i natyrshëm, sepse voltazhi i qarkut të hapur është i barabartë me diferencën e energjisë Fermi midis elektroneve dhe vrimave në rajonin e ngarkesës hapësinore, dhe diferenca e energjisë Fermi midis elektroneve dhe vrimave përcaktohet nga shpejtësia e gjenerimit të bartësit dhe shpejtësia e rikombinimit. .