Základní principy solárních článků a jejich aktivace

Princip fungování solárního článku je poměrně jednoduchý a je následující.

Při osvětlení generuje křemíkový solární článek elektrické napětí 0,5 V. Bez ohledu na typ a obvod generují všechny (velké i malé) křemíkové solární články napětí 0,5 V.

Jiná situace je s výstupním proudem prvku. Záleží na intenzitě světla a velikosti prvku, která se vztahuje k ploše.

Je jasné, že prvek o ploše 10×10 cm2 je 4x větší než prvek o ploše 5×5 cm2, proto produkuje 4x větší proud. Síla proudu závisí také na vlnové délce světla a jeho intenzitě a je přímo úměrná intenzitě záření. Čím je světlo jasnější, tím více proudu solární článek generuje.

Solární články by byly používány velmi zřídka, pokud by byly provozovány v uvedených parametrech. Pouze v některých případech je vyžadováno takto nízké napětí (0,5 V) s libovolnými požadavky na množství odebíraného proudu.

Rýže. 1. Sériové zapojení solárních článků.

Naštěstí zde nejsou žádná omezení. Solární články lze pro zvýšení výstupních charakteristik zapojit do série nebo paralelně.

Uvažujme solární články jako obyčejné baterie. Je známo, že ke zvýšení jasu svítilny se používá několik baterií. V podstatě zapojení baterií do série zvyšuje celkové napětí (obrázek 1).

Totéž lze udělat se solárními články. Spojením kladného pólu jednoho prvku se záporným pólem druhého lze z obou prvků získat napětí 1 V.

Podobně tři články budou produkovat 1,5 V, čtyři články budou produkovat 2 V atd. Teoreticky může napětí vyvinuté solárními články zapojenými do série, pokud jich je dostatek, dosahovat až tisíců voltů!

Zvýšení výstupních charakteristik solárních článků

Bohužel, pokud jde o zvyšující se výstupní proud, sériové zapojení má vlastní nevýhodu. Při sériovém zapojení baterií výstupní proud nepřekročí úroveň charakteristik nejhoršího prvku v obvodu.

To platí pro všechny zdroje energie, bez ohledu na to, zda se jedná o baterii, napájecí zdroj nebo solární články.

To znamená, že pro libovolný počet 2 Amp solárních článků v obvodu bude 1 Ampérový článek určovat celkový výstupní proud, tedy 1 A. Pokud tedy usilujete o maximální výkon, musí být proudy všech prvků v obvodu sladěno.

Dobře, napětí je jasné. Jak ale zvýšit výstupní proud solárního článku? Slunce přece svítí určitým jasem.

Výstupní proud závisí na ploše prvku, a proto přirozeným způsobem zvýšení proudu je zvětšení plochy prvku (nebo prvků). prvky? Přesně!

Rýže. 2. Paralelní zapojení solárních článků.

Pokud vezmete čtyři prvky o rozměrech 5×5 cm2 a spojíte je paralelně, jak je znázorněno na Obr. 2, pak můžete dosáhnout stejného výsledku jako při výměně čtyř prvků za jeden rozměr 10×10 cm2 (v obou případech je plocha stejná a je 100 cm2).

Je důležité si uvědomit, že při paralelním zapojení se zvyšuje pouze proud, nikoli napětí. Bez ohledu na počet paralelně zapojených prvků (4 nebo 50) nebude generované napětí větší než 0,5 V.

Můžete hádat, o čem se bude diskutovat. Aby bylo možné využít výhody obou způsobů připojení, je možné kombinovat sériové a paralelní připojení prvků. Tato kombinace se nazývá baterie.

Baterie mohou být uspořádány v libovolné kombinaci. Nejjednodušší baterie je řetězec prvků zapojených do série.

Fotovoltaické baterie

Můžete také spojovat paralelní řetězce prvků, jednotlivé prvky v řetězcích nebo je kombinovat v jakékoli jiné kombinaci. Na Obr. 3 ukazuje pouze tři příklady možných kombinací.

Rozdíly v charakteru spojení prvků na Obr. 3, ačkoli mají všechny stejné výstupní charakteristiky, jsou dány různými požadavky na spolehlivost.

Na Obr. 3 a tři po sobě jdoucí řetězce prvků jsou zapojeny paralelně. Tato metoda se používá, když je vysoká pravděpodobnost zkratování jednotlivých prvků.

Na Obr. 3, b znázorňuje schéma paralelního sériového zapojení prvků. U takového spojení nevede porucha jednoho z prvků, například kvůli vzhledu praskliny, ke ztrátě celého řetězu kvůli přetržení řetězu. V posledním příkladu (obr. 3, c) jsou zohledněny oba případy s minimem spojů.

Jsou možné i jiné typy připojení a jejich výběr by měl být dán konkrétními provozními podmínkami vašeho zařízení.

Rýže. 3. Schémata způsobů připojení solárních článků k baterii.

Je třeba mít na paměti jednu důležitou podmínku. Bez ohledu na vaši fantazii, paralelně zapojené řetězce prvků si musí navzájem odpovídat v napětí. Nemůžete paralelně spojit řetězec 15 prvků a krátký řetězec 5 prvků. S tímto připojením baterie nebude fungovat.

Při práci se solárními bateriemi se zpravidla setkáváme s jevem, který při použití klasických zdrojů energie nenastává. Tento jev je spojen s tzv. reverzním zkreslením. Abychom pochopili, co to je, podívejme se na Obr. 4,

Rýže. 4. Osm solárních článků zapojených do série a zátěž.

Tento obrázek ukazuje 8 prvků zapojených do série. Celkové výstupní napětí obvodu je 4 V a odpor RL je zapojen jako zátěž. Zatím je vše dobré.

Ale pojďme zatemnit fotobuňku D neprůhledným předmětem, jako je naše ruka, a uvidíme, co se stane. Asi si myslíš, že napětí klesne na 3,5V, že? Nic takového!

Solární článek, který nevyrábí elektrickou energii, je článek s vysokým vnitřním odporem, nikoli zkrat. Stane se to samé, jako když se otevře spínač, ale spínač není úplně rozpojený – protéká jím malý proud.

Ve většině případů je efektivní odpor zatemněného solárního článku mnohonásobkem hodnoty zatěžovacího odporu RL. Proto si můžete RL prakticky představit jako kus drátu spojující záporný a kladný pól.

To znamená, že funkci zatížení nyní vykonává prvek D. Co dělají ostatní prvky? Dodejte energii této zátěži!

V důsledku toho se prvek D zahřívá a při dostatečném zahřátí může selhat (explodovat). Ve výsledku nám zbývá sériová baterie s jedním nečinným článkem – nezáviděníhodná situace.

Reverzní zkreslení

Účinným způsobem, jak tento problém vyřešit, je paralelní zapojení bočníkových diod ke všem prvkům, jak je znázorněno na Obr. 5.

Diody jsou zapojeny tak, že když je solární článek v provozu, jsou zpětně vychýleny napětím samotného článku. Diodou tedy neprotéká žádný proud a baterie funguje normálně.

Rýže. 5. Paralelní připojení bočníkových diod ke všem solárním článkům.

Nyní předpokládejme, že jeden z prvků je zastíněn. V tomto případě se dioda stane přímo předpětím a proud přes ni protéká do zátěže a obchází vadný prvek. Výstupní napětí celého řetězu se samozřejmě sníží o 0,5 V, ale odpadne zdroj sebedestruktivní síly.

Další výhodou je, že baterie nadále funguje normálně. Bez bypass diod by to úplně selhalo.

V praxi není praktické obcházet každý článek baterie. Je nutné se řídit úvahami o hospodárnosti a používat bočníkové diody založené na rozumném kompromisu mezi spolehlivostí a cenou.

Obvykle se jedna dioda používá k ochraně 1/4 baterie. Na celou baterii jsou tedy potřeba pouze 4 diody. V tomto případě povede stínící efekt k 25% (celkem přijatelnému) snížení výstupního výkonu.

Sériové prvky nemusí vždy přesně odpovídat vašemu designu. Přestože se vám snaží nabídnout co největší výběr, neexistuje způsob, jak uspokojit potřeby všech.

Řezání prvků na kusy

Naštěstí to není vyžadováno. Monokrystalické solární články lze tvarovat do libovolného tvaru.

Měli byste vědět, že tomu tak je, protože monokrystalické solární články jsou vyrobeny z velkého monokrystalu.

Atom křemíku má čtyři valenční elektrony a tvoří kubickou krystalovou mřížku. Na Obr. Obrázek 6 ukazuje typický kulatý solární článek se zvýrazněnou strukturou zrn.

Pokud na tuto strukturu pevně vázaných elektronů použijete sílu, objeví se podél linie defektu trhlina. To je velmi podobné trhlině způsobené zemětřesením. Krystalová struktura je známá, a proto lze předpovědět směr trhliny.

Pokud působí síla na hranu znázorněnou na obr. 6 desek v bodě A, pak jej mechanické síly působící uvnitř krystalu rozdělí na dvě poloviny. Nyní místo jednoho prvku jsou dva.

Řekněme, že je nutné takový prvek rozdělit na čtyři stejné části. Toho lze dosáhnout aplikací síly nejprve podél vertikální defektní linie a poté podél horizontální.

Naštěstí to lze udělat současně. Většina monokrystalických kulatých prvků je označena křížkem uprostřed. Pokud v tomto bodě stisknete nožem s křížovou špičkou, prvek se rozdělí na čtyři úhledné kusy.

Je v pořádku, pokud se netrefíte přesně do středu. Prvek se rozdělí, ale ne na stejné části. Velikost fragmentů bude určena bodem, ve kterém působí síla, ale všechny budou rozděleny podél stejných rovin.

Čáry štěpení jsou vždy vzájemně rovnoběžné a všechny průsečíky se vyskytují v pravých úhlech. Podle těchto pravidel můžete získat prvky libovolné požadované velikosti.

Když se pokoušíte rozdělit prvek poprvé, musíte být velmi opatrní: nemůžete pracovat na tvrdém povrchu. Působením velké síly na prvek ležící na tvrdém rovném povrchu do něj můžete udělat pouze díru.

Rýže. 6. Deska monokrystalických solárních článků.

Aby se vytvořilo mechanické napětí, musí se prvek ohnout. Zjistil jsem, že při dělení prvku stačí pár listů papíru (může být i novin).

Tímto způsobem lze štěpit pouze monokrystalické prvky. Nedávno se objevily polykrystalické prvky (wackerovy buňky) nelze symetricky rozdělit. Pokud se o to pokusíte, solární článek se rozbije na milion kousků.

Polykrystalický prvek lze snadno odlišit od monokrystalického prvku. Výsledkem zpracování je, že monokrystal má rovnoměrnou, hladkou povrchovou strukturu. Polykrystalický vypadá jako pozinkovaná ocel se svým charakteristickým povrchovým vzhledem.

Pájení solárních článků

Poté, co jsou solární články vybrány k provozu, je třeba je připájet. Obvykle máme k dispozici sériové solární články vybavené proudovými mřížkami a zadními kontakty, které jsou určeny pro pájení vodičů k nim.

Při výrobě jsou kontakty nejčastěji potaženy pájkou obsahující malé množství stříbra. Stříbro chrání hrot páječky před zničením a případným přilnutím tenkých kovových kontaktů při pájení. Pamatujte, že sběrače proudu jsou stejně křehké jako kovové vodiče na deskách plošných spojů.

Výrobci solárních článků obvykle používají speciální pájku, tavidlo a vodiče pro připojení. Pájku obsahující 2% stříbra lze vždy zakoupit v obchodě.

Místo kalafuny je nutné použít běžné tavidlo na vodní bázi, aby se dalo po pájení snadno smýt z povrchu prvku.

Nejtěžší je najít plochý páskový vodič, protože je zřídka v prodeji. Něco podobného však můžete vyrobit tak, že vezmete kus měděného drátu a konec srovnáte kladivem. Místo toho můžete použít měděnou fólii nebo jen tenký měděný drát.

Samotný proces pájení je jednoduchý, ale musí být proveden rychle. Křemíkový plátek je velmi dobrý chladič a pokud se prvku delší dobu dotýkáte páječkou, hrot páječky se ochladí pod bod tání pájky.

Nejprve musíte pocínovat drát pomocí trochu více pájky než obvykle, ale ne příliš. Solární článek je již při výrobě pocínován.

Pro práci se doporučuje používat páječku o výkonu 30 nebo 40 W. Hrot páječky musí být čistý a teplý. Zatímco se páječka zahřívá, na prvek je aplikováno tavidlo a pocínovaný drát je přitlačován k základně kontaktu prvku.

Nyní se dotkněte povrchu drátu horkou páječkou. Je nutné, aby byl spoj „obalen“ roztavenou pájkou a byl zajištěn spolehlivý kontakt drátu s prvkem. Pájení se provádí jedním dotykem: musíte pracovat rychle, ale opatrně.

Zadní kontakt je připájen stejným způsobem. Pro získání sekvenčního řetězce prvků je přední kontakt prvního prvku spojen drátem se zadním kontaktem druhého prvku. Pak další kus drátu spojuje přední kontakt druhého se zadním kontaktem třetího atd.

Přední kontakt je záporná elektroda, zatímco zadní je kladná elektroda. Další rozšířenou metodou je spojování prvků jako tašková střecha. Pokud jste někdy viděli taškovou střechu, už máte představu.

Rýže. 7. Spojení solárních článků jako tašková střecha.

Přední kontakt jednoho prvku je nahoře překryt zadním kontaktem druhého. Kontaktní místo se zahřeje páječkou a tím se oba prvky vzájemně spojí. Takové zapojení je znázorněno na Obr. 7.

Pro spolehlivé zapájení prvků je nutné nanést na hrot trochu přebytečné pájky. Dávejte pozor, abyste prvek nepřehřáli, jinak nedojde k žádnému kontaktu.

Tímto způsobem je lepší pájet malé prvky, u kterých lze současně ohřívat celou kontaktní plochu. Nejlepší je použít speciální obdélníkový hrot páječky určený pro odpájení integrovaných obvodů z desek plošných spojů. Rovnoměrné vytápění a tlak jsou klíčem k úspěchu.

Ochrana solární baterie

Nyní, když je baterie složená, je nutné ji chránit před mechanickým poškozením a vystavením povětrnostním vlivům.

Prvky je nejlépe položit přední plochou na čistou tabuli skla nebo plexiskla. Je vhodnější použít bezpečnostní sklo, následované tvrzeným okenním sklem, akrylátovým plastem a běžným okenním sklem v sestupném pořadí podle ochranných vlastností.

Průhledný povlak chrání baterii před mechanickým poškozením v důsledku nárazů, kroucení a ohýbání. Před vlhkostí ale nechrání dobře.

Jak je známo, křemík je mírně hygroskopický; to znamená, že absorbuje velmi málo vody. Po delší době je však pozorován pozvolný pokles výstupních charakteristik prvku, vlivem vlhkosti. Životnost baterie tedy přímo závisí na kvalitě izolace proti vlhkosti.

Izolace proti vlhkosti lze dosáhnout mnoha způsoby. Podle jednoho z nich lze zadní stranu vyplnit tekutou gumou. K tomu je potřeba vyrobit rámeček po obvodu ochranného skla, aby tekutý polymer nepřetékal. Odolný rám navíc dobře chrání ochranné sklo před bočními nárazy.

Další metoda spočívá v pokrytí zadní části baterie silnou fólií z plastu Mylar a zahřívání celé baterie, například žárovkou, dokud se Mylar neroztaví a nepřilne k přednímu ochrannému krytu.

Tato operace vyžaduje určitou zručnost, zejména v případě velkých baterií. Mylarový zadní kryt lze jednoduše nalepit. Často je zmíněná operace jednodušší než topení, ale zhorší se izolační vlastnosti.

Nakonec může být zadní strana článků baterie potažena několika vrstvami latexu. To nevypadá tak esteticky, ale poskytuje poměrně dobré vlastnosti odolné proti vlhkosti.

Poslední metodou, ale v neposlední řadě, je zhotovení vodotěsné, hermeticky uzavřené krabice na živly. Je to drahé, ale poskytuje potřebnou izolaci proti vlhkosti.

Solární články můžete používat stejně jako jakýkoli jiný zdroj energie. Každý z nich je navržen tak, aby udržoval určité množství proudu při daném napětí.

Na rozdíl od běžných napájecích zdrojů však výstupní charakteristiky solárního článku závisí na množství dopadajícího světla. Například příchozí cloud může snížit výkon o více než 50 %.

Navíc ne všechny prvky produkují stejný výkon za stejných světelných podmínek, i když jsou prvky identické co do velikosti a designu.

Odchylky v technologických podmínkách mohou vést ke znatelnému rozptylu výstupních proudů prvků téže šarže. Tyto faktory je třeba vzít v úvahu při navrhování a výrobě konstrukcí solárních článků.

Pokud tedy chceme zajistit maximální výkon fotovoltaických měničů, je nutné zkontrolovat všechny prvky.

Literatura: Byers T. 20 provedení se solárními články: Per. z angličtiny – M.: Mir, 1988.