సౌర ఘటాలు ఎలా పని చేస్తాయి

సౌర ఘటాలు సాధారణ బ్యాటరీల పనితీరును ఉత్పత్తి చేయడానికి సూర్యరశ్మిని గ్రహిస్తుంది. సాంప్రదాయ బ్యాటరీల వలె కాకుండా, సాంప్రదాయ బ్యాటరీల యొక్క అవుట్‌పుట్ వోల్టేజ్ మరియు గరిష్ట అవుట్‌పుట్ శక్తి స్థిరంగా ఉంటాయి, అయితే అవుట్‌పుట్ వోల్టేజ్, కరెంట్ మరియు సౌర ఘటాల శక్తి లైటింగ్ పరిస్థితులు మరియు లోడ్ ఆపరేటింగ్ పాయింట్‌లకు సంబంధించినవి. దీని కారణంగా, విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేయడానికి సౌర ఘటాలను ఉపయోగించడానికి, మీరు సౌర ఘటాల ప్రస్తుత-వోల్టేజ్ సంబంధం మరియు పని సూత్రాన్ని అర్థం చేసుకోవాలి.

సూర్యకాంతి యొక్క వర్ణపట ప్రకాశం:

సౌర ఘటాల శక్తి వనరు సూర్యకాంతి, కాబట్టి సూర్యకాంతి యొక్క తీవ్రత మరియు స్పెక్ట్రం సౌర ఘటం ద్వారా ప్రస్తుత మరియు వోల్టేజ్ ఉత్పత్తిని నిర్ణయిస్తాయి. ఒక వస్తువును సూర్యుని క్రింద ఉంచినప్పుడు, అది రెండు విధాలుగా సూర్యరశ్మిని పొందుతుందని మనకు తెలుసు, ఒకటి ప్రత్యక్ష సూర్యకాంతి, మరియు మరొకటి ఉపరితలంపై ఇతర వస్తువులచే చెల్లాచెదురుగా ఉన్న తర్వాత ప్రసరించే సూర్యకాంతి. సాధారణ పరిస్థితులలో, సౌర ఘటం ద్వారా వచ్చే కాంతిలో దాదాపు 80% ప్రత్యక్ష సంఘటన కాంతిని కలిగి ఉంటుంది. కాబట్టి, మా క్రింది చర్చ సూర్యరశ్మికి ప్రత్యక్షంగా బహిర్గతం కావడంపై కూడా దృష్టి పెడుతుంది.

సూర్యకాంతి యొక్క తీవ్రత మరియు వర్ణపటాన్ని స్పెక్ట్రమ్ వికిరణం ద్వారా వ్యక్తీకరించవచ్చు, ఇది యూనిట్ వైశాల్యానికి (W/㎡um) యూనిట్ తరంగదైర్ఘ్యానికి కాంతి శక్తి. సూర్యకాంతి యొక్క తీవ్రత (W/㎡) అనేది స్పెక్ట్రమ్ ప్రకాశం యొక్క అన్ని తరంగదైర్ఘ్యాల మొత్తం. సూర్యకాంతి యొక్క వర్ణపట ప్రకాశం కొలిచిన స్థానం మరియు భూమి యొక్క ఉపరితలానికి సంబంధించి సూర్యుని కోణానికి సంబంధించినది. ఎందుకంటే సూర్యరశ్మి భూమి యొక్క ఉపరితలంపైకి చేరే ముందు వాతావరణం ద్వారా గ్రహించబడుతుంది మరియు చెల్లాచెదురుగా ఉంటుంది. స్థానం మరియు కోణం యొక్క రెండు కారకాలు సాధారణంగా గాలి ద్రవ్యరాశి (AM) అని పిలవబడే ద్వారా సూచించబడతాయి. సౌర ప్రకాశం కోసం, సూర్యుడు నేరుగా ప్రకాశిస్తున్నప్పుడు బాహ్య అంతరిక్షంలో పరిస్థితిని AMO సూచిస్తుంది. దీని కాంతి తీవ్రత సుమారుగా 1353 W/㎡, ఇది 5800K ఉష్ణోగ్రతతో బ్లాక్‌బాడీ రేడియేషన్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన కాంతి మూలానికి దాదాపు సమానం. AMI అనేది భూమి యొక్క ఉపరితలంపై పరిస్థితిని సూచిస్తుంది, సూర్యుడు నేరుగా ప్రకాశిస్తున్నప్పుడు, కాంతి తీవ్రత 925 W/m2 ఉంటుంది. AMI.5 అనేది భూమి యొక్క ఉపరితలంపై పరిస్థితిని సూచిస్తుంది, సూర్యుడు 45 డిగ్రీల కోణంలో ఉన్నప్పుడు, కాంతి తీవ్రత 844 W/m2 ఉంటుంది. AM 1.5 సాధారణంగా భూమి యొక్క ఉపరితలంపై సూర్యకాంతి యొక్క సగటు ప్రకాశాన్ని సూచించడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. సోలార్ సెల్ సర్క్యూట్ మోడల్:

కాంతి లేనప్పుడు, సౌర ఘటం pn జంక్షన్ డయోడ్ లాగా ప్రవర్తిస్తుంది. ఆదర్శ డయోడ్ యొక్క ప్రస్తుత-వోల్టేజ్ సంబంధాన్ని ఇలా వ్యక్తీకరించవచ్చు

నేను కరెంట్‌ను సూచించే చోట, V వోల్టేజ్‌ని సూచిస్తుంది, సంతృప్త కరెంట్‌ని సూచిస్తుంది మరియు VT=KBT/q0, ఇక్కడ KB BoItzmann స్థిరాంకాన్ని సూచిస్తుంది, q0 అనేది యూనిట్ ఎలెక్ట్రిక్ చార్జ్ మరియు T అనేది ఉష్ణోగ్రత. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద, VT=0.026v. పరికరంలో P-రకం నుండి n-రకానికి ప్రవహించేలా Pn డయోడ్ కరెంట్ యొక్క దిశ నిర్వచించబడిందని గమనించాలి మరియు వోల్టేజ్ యొక్క సానుకూల మరియు ప్రతికూల విలువలు P-రకం టెర్మినల్ పొటెన్షియల్‌గా నిర్వచించబడ్డాయి. n-రకం టెర్మినల్ పొటెన్షియల్ మైనస్. కాబట్టి, ఈ నిర్వచనాన్ని అనుసరించినట్లయితే, సౌర ఘటం పని చేస్తున్నప్పుడు, దాని వోల్టేజ్ విలువ సానుకూలంగా ఉంటుంది, దాని ప్రస్తుత విలువ ప్రతికూలంగా ఉంటుంది మరియు IV వక్రత నాల్గవ క్వాడ్రంట్‌లో ఉంటుంది. ఆదర్శ డయోడ్ అని పిలవబడేది అనేక భౌతిక పరిస్థితులపై ఆధారపడి ఉంటుందని పాఠకులు తప్పక ఇక్కడ గుర్తుంచుకోవాలి మరియు వాస్తవ డయోడ్‌లు సహజంగా పరికరం యొక్క ప్రస్తుత-వోల్టేజ్ సంబంధాన్ని ప్రభావితం చేసే కొన్ని నాన్‌డియల్ కారకాలను కలిగి ఉంటాయి, ఉదాహరణకు జనరేషన్-రీకాంబినేషన్ కరెంట్, ఇక్కడ మేము గెలిచాము' దాని గురించి ఎక్కువగా చర్చించను. సౌర ఘటం కాంతికి గురైనప్పుడు, pn డయోడ్‌లో ఫోటోకరెంట్ ఉంటుంది. pn జంక్షన్ యొక్క అంతర్నిర్మిత విద్యుత్ క్షేత్ర దిశ n-రకం నుండి p-రకం వరకు ఉన్నందున, ఫోటాన్‌ల శోషణ ద్వారా ఉత్పన్నమయ్యే ఎలక్ట్రాన్-రంధ్ర జతలు n-రకం ముగింపు వైపు పరుగెత్తుతాయి, అయితే రంధ్రాలు p వైపుకు పరిగెత్తుతాయి. -రకం ముగింపు. రెండింటి ద్వారా ఏర్పడిన ఫోటోకరెంట్ n-రకం నుండి p-రకం వరకు ప్రవహిస్తుంది. సాధారణంగా, డయోడ్ యొక్క ఫార్వర్డ్ కరెంట్ దిశ p-రకం నుండి n-రకం వరకు ప్రవహిస్తున్నట్లుగా నిర్వచించబడుతుంది. ఈ విధంగా, ఆదర్శవంతమైన డయోడ్‌తో పోలిస్తే, ప్రకాశించినప్పుడు సౌర ఘటం ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఫోటోకరెంట్ ప్రతికూల కరెంట్. సౌర ఘటం యొక్క ప్రస్తుత-వోల్టేజ్ సంబంధం ఆదర్శవంతమైన డయోడ్ మరియు ప్రతికూల ఫోటోకరెంట్ IL, దీని పరిమాణం:

మరో మాటలో చెప్పాలంటే, కాంతి లేనప్పుడు, IL=0, సౌర ఘటం కేవలం ఒక సాధారణ డయోడ్. సౌర ఘటం షార్ట్ సర్క్యూట్ అయినప్పుడు, అంటే V=0, షార్ట్ సర్క్యూట్ కరెంట్ Isc=-IL. అంటే, సౌర ఘటం షార్ట్ సర్క్యూట్ అయినప్పుడు, షార్ట్ సర్క్యూట్ కరెంట్ అనేది ఇన్సిడెంట్ లైట్ ద్వారా ఉత్పన్నమయ్యే ఫోటోకరెంట్. సౌర ఘటం ఓపెన్ సర్క్యూట్ అయితే, అంటే, I=0 అయితే, దాని ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్:

మూర్తి 2. సౌర ఘటం యొక్క సమానమైన సర్క్యూట్: (ఎ) లేకుండా, (బి) సిరీస్ మరియు షంట్ రెసిస్టర్‌లతో. ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్ మరియు షార్ట్ సర్క్యూట్ కరెంట్ సౌర ఘటం లక్షణాల యొక్క రెండు ముఖ్యమైన పారామితులు అని ఇక్కడ నొక్కి చెప్పాలి.

సౌర ఘటం యొక్క పవర్ అవుట్‌పుట్ కరెంట్ మరియు వోల్టేజ్ యొక్క ఉత్పత్తి:

సహజంగానే, సౌర ఘటం ద్వారా విద్యుత్ ఉత్పత్తి స్థిర విలువ కాదు. ఇది నిర్దిష్ట కరెంట్-వోల్టేజ్ ఆపరేటింగ్ పాయింట్ వద్ద గరిష్ట విలువను చేరుకుంటుంది మరియు గరిష్ట అవుట్‌పుట్ పవర్ Pmax dp/dv=0 ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. గరిష్ట అవుట్‌పుట్ పవర్ Pmax వద్ద అవుట్‌పుట్ వోల్టేజ్ అని మనం ఊహించవచ్చు:

మరియు అవుట్‌పుట్ కరెంట్:

సౌర ఘటం యొక్క గరిష్ట అవుట్పుట్ శక్తి:

సౌర ఘటం యొక్క సామర్థ్యం సౌర ఘటం యొక్క నిష్పత్తిని సూచిస్తుంది, ఇది ఇన్‌సిడెంట్ లైట్ యొక్క పవర్ పిన్‌ను గరిష్ట అవుట్‌పుట్ ఎలక్ట్రికల్ పవర్‌గా మారుస్తుంది, అంటే:

సాధారణ సౌర ఘటం సామర్థ్యం కొలతలు పిన్=1000W/㎡తో సూర్యరశ్మికి సమానమైన కాంతి మూలాన్ని ఉపయోగిస్తాయి.

ప్రయోగాత్మకంగా, సౌర ఘటాల ప్రస్తుత-వోల్టేజ్ సంబంధం పై సైద్ధాంతిక వివరణను పూర్తిగా అనుసరించదు. ఎందుకంటే ఫోటోవోల్టాయిక్ పరికరం కూడా సిరీస్ రెసిస్టెన్స్ మరియు షంట్ రెసిస్టెన్స్ అని పిలవబడేది. ఏదైనా సెమీకండక్టర్ పదార్థానికి, లేదా సెమీకండక్టర్ మరియు మెటల్ మధ్య సంబంధానికి, అనివార్యంగా ఎక్కువ లేదా తక్కువ ప్రతిఘటన ఉంటుంది, ఇది ఫోటోవోల్టాయిక్ పరికరం యొక్క శ్రేణి నిరోధకతను ఏర్పరుస్తుంది. మరోవైపు, ఫోటోవోల్టాయిక్ పరికరం యొక్క సానుకూల మరియు ప్రతికూల ఎలక్ట్రోడ్‌ల మధ్య ఆదర్శవంతమైన Pn డయోడ్ కాకుండా ఏదైనా ప్రస్తుత మార్గం పరికరంలోని జనరేషన్-రీకంబినేషన్ కరెంట్ వంటి లీకేజ్ కరెంట్ అని పిలవబడేది. , ఉపరితల రీకంబినేషన్ కరెంట్, పరికరం యొక్క అసంపూర్ణ అంచు ఐసోలేషన్ మరియు మెటల్ కాంటాక్ట్ పెనెట్రేషన్ జంక్షన్.

సాధారణంగా, మేము సౌర ఘటాల లీకేజ్ కరెంట్‌ను నిర్వచించడానికి షంట్ రెసిస్టెన్స్‌ని ఉపయోగిస్తాము, అంటే Rsh=V/Ileak. షంట్ నిరోధకత ఎంత పెద్దదైతే, లీకేజ్ కరెంట్ అంత చిన్నదిగా ఉంటుంది. మేము జాయింట్ రెసిస్టెన్స్ రూ మరియు షంట్ రెసిస్టెన్స్ రూషను పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, సౌర ఘటం యొక్క ప్రస్తుత-వోల్టేజ్ సంబంధాన్ని ఇలా వ్రాయవచ్చు:

సిరీస్ రెసిస్టెన్స్ మరియు షంట్ రెసిస్టెన్స్ రెండింటి ప్రభావాలను సంగ్రహించేందుకు, ఫిల్ ఫ్యాక్టర్ అని పిలవబడే ఒక పరామితిని మాత్రమే మనం ఉపయోగించవచ్చు. ఇలా నిర్వచించబడింది:

సిరీస్ రెసిస్టర్ లేనట్లయితే మరియు షంట్ రెసిస్టెన్స్ అనంతంగా ఉంటే పూరక కారకం గరిష్టంగా ఉంటుందని స్పష్టంగా తెలుస్తుంది (లీకేజ్ కరెంట్ లేదు). సిరీస్ రెసిస్టెన్స్‌లో ఏదైనా పెరుగుదల లేదా షంట్ రెసిస్టెన్స్‌లో తగ్గుదల పూరక కారకాన్ని తగ్గిస్తుంది. ఈ విధంగా,. సౌర ఘటాల సామర్థ్యాన్ని మూడు ముఖ్యమైన పారామితుల ద్వారా వ్యక్తీకరించవచ్చు: ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్ Voc, షార్ట్ సర్క్యూట్ కరెంట్ Isc మరియు ఫిల్ ఫ్యాక్టర్ FF.

సహజంగానే, సౌర ఘటం యొక్క సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడానికి, దాని ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్, షార్ట్ సర్క్యూట్ కరెంట్ (అంటే, ఫోటోకరెంట్) మరియు ఫిల్ ఫ్యాక్టర్ (అంటే, సిరీస్ రెసిస్టెన్స్ మరియు లీకేజ్ కరెంట్‌ను తగ్గించడం) ఏకకాలంలో పెంచడం అవసరం.

ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్ మరియు షార్ట్ సర్క్యూట్ కరెంట్: మునుపటి ఫార్ములా నుండి నిర్ణయించడం, సౌర ఘటం యొక్క ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్ ఫోటోకరెంట్ మరియు సంతృప్త సెల్ ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. సెమీకండక్టర్ ఫిజిక్స్ కోణం నుండి, ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్ స్పేస్ ఛార్జ్ ప్రాంతంలో ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాల మధ్య ఫెర్మీ శక్తి వ్యత్యాసానికి సమానం. ఆదర్శవంతమైన Pn డయోడ్ యొక్క సంతృప్త కరెంట్ కొరకు, మీరు వీటిని ఉపయోగించవచ్చు:

వ్యక్తం చేయడానికి. ఇక్కడ q0 యూనిట్ ఛార్జ్‌ను సూచిస్తుంది, ni సెమీకండక్టర్ యొక్క అంతర్గత క్యారియర్ ఏకాగ్రతను సూచిస్తుంది, ND మరియు NA ప్రతి ఒక్కటి దాత మరియు అంగీకరించేవారి ఏకాగ్రతను సూచిస్తాయి, Dn మరియు Dp ప్రతి ఒక్కటి ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాల వ్యాప్తి గుణకాన్ని సూచిస్తాయి, పై వ్యక్తీకరణ n అని ఊహిస్తుంది - రకం ప్రాంతం మరియు p-రకం ప్రాంతం రెండూ వెడల్పుగా ఉన్న సందర్భం. సాధారణంగా, p-టైప్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లను ఉపయోగించే సౌర ఘటాల కోసం, n-రకం ప్రాంతం చాలా తక్కువగా ఉంటుంది మరియు పై వ్యక్తీకరణను సవరించాలి.

సౌర ఘటం ప్రకాశించినప్పుడు, ఫోటోకరెంట్ ఉత్పత్తి అవుతుంది మరియు ఫోటోకరెంట్ అనేది సౌర ఘటం యొక్క ప్రస్తుత-వోల్టేజ్ సంబంధంలో క్లోజ్డ్-సర్క్యూట్ కరెంట్ అని మేము ఇంతకు ముందే చెప్పాము. ఇక్కడ మేము ఫోటోకరెంట్ యొక్క మూలాన్ని క్లుప్తంగా వివరిస్తాము. యూనిట్ సమయానికి యూనిట్ వాల్యూమ్‌లో క్యారియర్‌ల ఉత్పత్తి రేటు (యూనిట్ m -3 s -1 ) కాంతి శోషణ గుణకం ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది, అంటే

వాటిలో, α కాంతి శోషణ గుణకాన్ని సూచిస్తుంది, ఇది సంఘటన ఫోటాన్‌ల (లేదా ఫోటాన్ ఫ్లక్స్ సాంద్రత) యొక్క తీవ్రత, మరియు R ప్రతిబింబ గుణకాన్ని సూచిస్తుంది, కాబట్టి ఇది ప్రతిబింబించని సంఘటన ఫోటాన్‌ల తీవ్రతను సూచిస్తుంది. ఫోటోకరెంట్‌ని ఉత్పత్తి చేసే మూడు ప్రధాన మెకానిజమ్స్: p-టైప్ ప్రాంతంలో మైనారిటీ క్యారియర్ ఎలక్ట్రాన్‌ల డిఫ్యూజన్ కరెంట్, n-టైప్ ప్రాంతంలో మైనారిటీ క్యారియర్ హోల్స్ యొక్క డిఫ్యూజన్ కరెంట్ మరియు స్పేస్ ఛార్జ్ రీజియన్‌లోని ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాల డ్రిఫ్ట్. ప్రస్తుత. కాబట్టి, ఫోటోకరెంట్‌ను సుమారుగా ఇలా వ్యక్తీకరించవచ్చు:

వాటిలో, Ln మరియు Lp ప్రతి ఒక్కటి p-రకం ప్రాంతంలోని ఎలక్ట్రాన్ల విస్తరణ పొడవు మరియు n-రకం ప్రాంతంలో రంధ్రాలను సూచిస్తాయి మరియు ఇది స్పేస్ ఛార్జ్ ప్రాంతం యొక్క వెడల్పు. ఈ ఫలితాలను సంగ్రహించడం, మేము ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్ కోసం సరళమైన వ్యక్తీకరణను పొందుతాము:

ఇక్కడ Vrcc యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతల రీకాంబినేషన్ రేటును సూచిస్తుంది. వాస్తవానికి, ఇది సహజ ఫలితం, ఎందుకంటే ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్ ఎలక్ట్రాన్లు మరియు స్పేస్ ఛార్జ్ ప్రాంతంలోని రంధ్రాల మధ్య ఫెర్మీ శక్తి వ్యత్యాసానికి సమానం, మరియు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాల మధ్య ఫెర్మీ శక్తి వ్యత్యాసం క్యారియర్ ఉత్పత్తి రేటు మరియు రీకాంబినేషన్ రేటు ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. .