+359 883 553 655 info@el-engineering.com

Известно е, че с термина фотоволтаик се означава фотоелемент, преобразуващ светлинната енергия в електрическа, т.е. предназначен за работа като генератор на електроенергия. Всички фотоелементи работят на принципа на вътрешния фотоефект. Същността му се обяснява най-лесно с помощта на зонната теория. Падащият върху атома светлинен фотон повишава енергията на електрон от валентната зона, което му позволява да премине в зоната на проводимост. По такъв начин се освобождават електрически заряди, чието насочено движение във външна верига представлява електрически ток.
Основните фотоелементи се произвеждат от полупроводници. Полупроводниците се характеризират с:
– ширина на забранената зона Eg;
– примесна концентрация;
– тип на проводимост;
– подвижност на носителите;
На Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3 е показан принципът на p и n полупроводник. Полупроводниците притежаващи тясна забранена зона между валентната и проводимата зона се наричат истински полупроводници.

Фиг. 1                                                             Фиг. 2                                                     Фиг. 3

По-често се срещат полупроводници, съдържащи примеси – известни още като неистински полупроводници. Добавянето на чужди атоми в кристалната решетка нарушава нейната периодичност и в енергийната схема се прибавят нови енергийни нива. Ако прибавените атоми увеличават броя на отрицателните носители на заряд – електроните, т.е се добави елемент от V група, то полупроводникът е от n-тип. На Фиг. 1.4.2 е даден полупроводник от тип n, като в случая е добавен атом на фосфор (Si+P). Когато добавените към кристала атоми нямат достатъчно валентни електрони, т.е те са от III група на периодичната система, те образуват положителни дупки в електрическото поле. Такива кристали се наричат полупроводници от р – тип. Съединявайки ги заедно, те образуват р/n връзка помежду си, по този начин се създава електрическото поле между тях. На Фиг. 1.4.3 е даден полупроводник от p-тип, като добавения атом е алуминий (Si+Al).
Разстоянието между валентната и проводимата зона, изразено в енергия, се нарича широчина на забранената зона.

Eg = Еп +Ев

Широчината на забранената зона се измерва в електронволта (eV). Тя е от 0,6 до 2 eV при полупроводниците. Преминаването на електрони от валентната в свободната зона, може да стане под влиянието на всякакъв вид енергия – топлинна, светлинна или някоя друга. Създаването на токоносители в полупроводника под действието на светлинната енергия се нарича вътрешен фотоволтаичен ефект, а проводимостта – фотопроводимост.
Светлинния поток, който въздейства върху полупроводника, се състои от кванти светлинна енергия. Енергията на светлинния квант е:

ε = h.ν ,

Където: h е константата на Планк (h = 6,62.10-34J.s), а ν е честотата. Вътрешния фотоефект е възможен само тогава, когато енергията падаща на повърхността на полупроводника е толкова голяма, че е съизмерима с широчината на забранената зона Eg. Ако hν е по-малко от Eg, нито един електрон не може да премине в зоната на проводимостта и не се наблюдава фотоефект. При облъчване със сноп фотони hν > Eg в полупроводниците се създават два типа свободни носители: отрицателно заредени носители – електрони и положително заредени носители – дупки, с концентрации Δn и Δp. Тъй като Δn=Δp, цялата система е електрически неутрална. Ако се разделят генерираните от светлината електрически заряди в две области може да се получи потенциална разлика между тях (фиг. 4).

Фиг. 4

Функционирането на слънчевия фотоелемент е на основата на генерация на електрически носители под въздействието на светлината и разделянето им посредством вътрешно електрическо поле. Характерната структура е p – n преход, представена на фиг. 5.

Фиг.5

Фотоелементът (фотоклетка) представлява диод с формата на диск (фиг. 6), при който при осветяване се създава потенциална разлика между двата края на полупроводниковия диод.

Фиг. 6

Оценката на електрическите характеристики на един фотоелемент се получава при предположението, че то се описва с опростената заместваща схема. На фиг. 7 е показана опростената еквивалентната схема на фотоелемент.

Фиг. 7

Електрическата мощност P на изводите на фотоволтаичната клетка е произведението от постоянния ток I и постоянното напрежение V, т.е.

P=V.I

Точката (Pм, Vм) от крива P-V на фиг. 8 съответства на максималната произведена мощност Рм, която за идеална клетка се изразява с напрежението на празен ход Vco , при ток на късо съединение Icc,

Pм = Vco.Icc

Фиг. 8

Пълната еднодиодна еквивалентна електрическа схема на реален фотоелемент може да се представи по следния начин (фиг. 9).

Фиг. 9

Еквивалентната схема на фотоклетка е изградена от диод и от източник на ток, които са свързани в паралел. Източника на ток генерира фототок Iph, който e пропорционален на слънчевото облъчване. P/n прехода на слънчевата клетка е еквивалентен на голям диод, който също участва в схемата. В истинската соларна клетка има загуби на напрежение в повърхностния контакт. Тези загуби са представени чрез резистора Rs. Освен това загубите от утечка са представени чрез паралелния резистор Rp.

Основна енергийна характеристика на фотоволтаична клетка е разполагаемата електрическа енергия на изводите на PV клетка, която зависи от влизащата енергия и от загубите на енергия, те.:

Ee=Ecв-Eт

където Ее е разполагаемата енергия на изводите на фотоволтаична клетка (напрежение-ток); Есв – енергията (светлинният поток), падаща върху клетката; Ет – термичните загуби на енергия от конвекция, излъчване и топлоотдаване.
Коефициентът на полезно действие (КПД) на клетката е отношението на произвежданата електрическа енергия (Wh или J) към лъчистата слънчева енергия на видимия или невидим светлинен спектър (J или Wh):

n=Ee/Eсв

Разполагаемата електрическа енергия Ее зависи от: характеристиките на излъчването (спектралното разпределение, ъгълът на падане); количеството на получената енергия; повърхността, формата и оразмерителните параметри на фотоволтаичната клетка; условията на нейното функциониране (температура на околната среда, скорост на вятъра и др.).
Спектрална реакция на една клетка се нарича ефективността, с която се преобразува енергията на излъчването, при известна дължина на вълната, в електрическа енергия. Тази ефективност зависи предимно от характеристиката на съставния материал на клетката.

За въпроси, забележки и запитвания, използвайте формата за връзка по-долу.
Не забравяйте да харесвате и споделяте!

Дата: 12.11.2017г.
Автор: инж. Димитър Цеков
Източник: Дипломна работа на тема “Проектиране на стационарна и следяща фотоволтаични централи в определен терен и сравняването им по технически и икономически показатели”