Главные показатели солнечных батарей

Солнечные электростанции, в основу работы которых положен принцип прямого преобразования энергии солнечного излучения в электричество, заняли прочные позиции в общей системе энергообеспечения Земли. С каждым годом мощности этих энергоустановок растет.

Если в 2004 году доля электричества, производимого всеми гелиевыми электростанциями, составляли 0.01% от общего производства электричества на Земле, то через десять лет, в 2014, эта доля уже составляла 0.79%.

Для сооружения таких электростанций требуется огромное количество кремния – основного полупроводникового материала, который вырабатывает электрический ток при облучении его солнечным светом. С точки зрения эффективности наиболее подходящим для этой цели является чистый монокристаллический кремний.

При сборке каждого модуля – независимо от того, предназначен ли этот модуль для установки в мощной промышленной электростанции или в маленькой домашней – большое внимание уделяется качеству каждой ячейки. Размеры ячеек в различных модулях могут быть различными, но в одном модуле все ячейки должны быть строго одного типоразмера. Дело в том, что мощность модуля находится в прямой зависимости от качества каждой ячейки и ее характеристик.

Важнейшим параметром является вольт-амперная характеристика солнечной батареи. В сущности, речь идет о параметрах каждой отдельно взятой ячейки, входящей в состав батареи. Ведь мощность модуля в целом – это суммарная мощность ячеек, из которых он состоит.

Солнечные электростанции, в основу работы которых положен принцип прямого преобразования энергии солнечного излучения в электричество, заняли прочные позиции в общей системе энергообеспечения Земли. С каждым годом мощности этих энергоустановок растет.

Если в 2004 году доля электричества, производимого всеми гелиевыми электростанциями, составляли 0.01% от общего производства электричества на Земле, то через десять лет, в 2014, эта доля уже составляла 0.79%.

Для сооружения таких электростанций требуется огромное количество кремния – основного полупроводникового материала, который вырабатывает электрический ток при облучении его солнечным светом. С точки зрения эффективности наиболее подходящим для этой цели является чистый монокристаллический кремний.

При сборке каждого модуля – независимо от того, предназначен ли этот модуль для установки в мощной промышленной электростанции или в маленькой домашней – большое внимание уделяется качеству каждой ячейки. Размеры ячеек в различных модулях могут быть различными, но в одном модуле все ячейки должны быть строго одного типоразмера. Дело в том, что мощность модуля находится в прямой зависимости от качества каждой ячейки и ее характеристик.

Важнейшим параметром является вольт-амперная характеристика солнечной батареи. В сущности, речь идет о параметрах каждой отдельно взятой ячейки, входящей в состав батареи. Ведь мощность модуля в целом – это суммарная мощность ячеек, из которых он состоит.

В общем случае вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электрическую цепь от напряжения, приложенного к этой цепи. В случае солнечной батареи эта характеристика рассматривается при наличии дополнительных условий, которые в мировой практике были стандартизированы и применяются сейчас при проектировании всех подобных систем во всем мире. Согласно этим стандартам ВАХ солнечных элементов определяется при мощности излучения солнца равной 1000 ватт на один квадратный метр. При этом температура элементов должна быть равна +25°С, а измерения должны производиться на широте 45°.

Вольт-амперная характеристика солнечной ячейки

На графике обозначены важнейшие точки вольт-амперной характеристики полупроводникового фотопреобразователя – Uxx и Iкз.

Для определения рабочих параметров ячеек на этом же графике показана кривая, характеризующая мощность исследуемого фотоэлектрического элемента. Этот график является функцией мощности ячейки в зависимости от нагрузки. Из графика следует, что номинальная мощность того или иного элемента определена как максимально возможная мощность при стандартных исходных параметрах. Напряжение, при котором достигается максимальная мощность, является рабочим напряжением и обозначается Up. Соответственно ток, соответствующий максимальной мощности, является рабочим и обозначается Ip.

Понятно, что при нулевых значениях тока или напряжения система не работает, мощность равна нулю. Система в работе, когда ток и напряжение достигают величин, сопоставимых с их рабочими значениями. При этом, как правило, модуль набирается из большего количества ячеек, чем это необходимо для получения рабочего напряжения.

Например, для получения значения рабочего напряжения 12 вольт набирается такое количество элементов, чтобы на выходе модуля получить напряжение в 16 – 17 вольт. Это делается для того, чтобы скомпенсировать падение рабочего напряжения из-за нагрева элемента под воздействием солнечных лучей.

Дело в том, что у кремниевых полупроводников напряжение холостого хода уменьшается на 0.4% при увеличении температуры ячейки на 1°С. В то же время значение тока короткого замыкания увеличивается на 0.07% при увеличении температуры на 1°С.

Если освещенность ячейки меняется, то прямо пропорционально степени освещенности изменяется и значение тока короткого замыкания. В то же время изменение освещенности практически не сказывается на величине напряжения холостого хода. Эффективность солнечной ячейки вычисляется как отношение значения максимальной мощности ее к значению общей мощности излучения солнца, определенной по международным стандартам (STC).

Зависимость мощности и напряжения солнечной батареи от температуры

Чтобы получить необходимые рабочее напряжение и требуемую мощность, фотоэлектрические элементы соединяются в электрические цепи. Эти цепи могут быть последовательными или параллельными. При соединении нескольких ячеек в единую электрическую цепь и получают солнечную батарею. При этом выходная мощность батареи всегда оказывается меньше значения арифметической суммы мощностей ячеек, из которых составлена сама батарея. Это обуславливается потерями, возникающими из-за рассогласования характеристик однотипных ячеек.

Как было сказано выше, для каждой солнечной батареи подбираются ячейки с максимально приближенными характеристиками. Как физическими (типоразмеры), так и электрическими (вольт-амперные характеристики). Чем более строго производятся контроль и подбор элементов для каждого солнечного модуля, то есть чем меньше разброс характеристик, тем выше электрические показатели всего модуля, тем выше его мощность.

Проведенные исследования показали, что если последовательно соединить десять элементов, имеющих разброс характеристик до 10%, то потери мощности составят около 6%. Если ужесточить отбор и снизить разброс характеристик до 5%, то потери мощности уменьшатся до 2%.

В процессе эксплуатации солнечной батареи может возникнуть ситуация, когда один или несколько элементов будут затенены. В этом случае при последовательном соединении затененные ячейки будут рассеивать мощность, которую производят ячейки, получающие световое излучение в полном объеме. При этом затененные элементы будут быстро нагреваться и в конечном итоге выйдут из строя. Это, естественно, увеличивает нагрузку на исправные цепи, что приводит к неисправности всей солнечной батареи. Чтобы это не происходило, параллельно каждой ячейке (или группе последовательно соединенных ячеек) подключается байпасный диод.

И, наконец, еще одна точка на графике. Это точка МРР – точка максимальной мощности. Мощность всех солнечных модулей определяется всегда именно по этой точке. И контроллеры МРРТ заряда аккумуляторов работают в режиме отслеживания точки МРР при всех режимах зарядки аккумуляторов, а не на последнем, что повышает их эффективность.

В этой точке напряжение выше номинального, поэтому заряд аккумуляторов происходит быстрее, чем при использовании контроллеров других типов (например, работающих на принципе широтно-импульсной модуляции). Тем самым при использовании контроллера МРРТ количество электроэнергии, полученной от одного гелиевого модуля на 10% — 30% больше, чем при использовании контроллера ШИМ (при равном количестве солнечного излучения).

В современных технологических линиях по производству ячеек для солнечных батарей на всех этапах изготовления установлены тонко юстированные приборы, следящие за качеством изделий. Точно такому же строжайшему контролю подвергаются и все электрические характеристики изготовленных элементов. Только при таких условиях собранный гелиевый модуль в состоянии вырабатывать именно ту мощность, которая была рассчитана при его разработке.