Внутреннее сопротивление солнечной батареи

Технические характеристики солнечных модулей

Основной составляющей солнечного модуля является солнечный элемент (ФЭП). состоят из солнечных элементов. Как правило – это 36, 48, 60 или 72 элемента. объединяют в автономные солнечные энергосистемы для того, чтобы генерировать больше электричества и обеспечивать нужды потребителей.

Солнечные модули их также называют солнечные батареи, и солнечные панели имеют массу типов и размеров. Чаще всего встречаются модули от 30 до 370 Ватт.

На сегодняшний день КПД солнечных модулей варьируется в пределах 17-23%. Американская компания «SunPower» в 2010 году достигла КПД солнечного элемента в 24,2%, что является рекордным показателем КПД на 2010 год. Ведущие лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для солнечной энергетики с более высоким КПД (до 30%).

Солнечные батареи это проверенный временем, безопасный и надежный источник электрической энергии. Испытания показали, что срок эксплуатации солнечных батарей превышает 25-30 лет. Солнечные батареи теряют в мощности ; в среднем на 10% в 10 лет. То есть через 20 лет солнечная батареябудет генерировать энергию на 80% от своего номинала, т.е. 100 Ваттная солнечная панель будет генерировать до 80 Ватт в час при полном освещении. В остальном, никаких изменений не происходит. Дополнительное обслуживание и замена деталей также не требуется. Солнечные батареи из аморфного кремния (тонкопленочные) имеют срок службы от 5 до 20 лет. Однако данные цифры пока не проверены временем, поэтому тонкопленочные солнечные модули пока являются весьма сомнительным вложением денег. Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40% мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому, более 80% рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули. Остальные же компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 3 до 15 лет, а силовая электроника — от 5 до 20 лет.

Солнечные модули надежны, долговечны и просты в установке, так как не содержат подвижных частей. В зависимости от области применения фотоэлектрические модули могут иметь разные конструктивные решения и разные выходные мощности. Наша компания изготавливает солнечные модули различных типоразмеров мощностью от 30 до 300 Ватт. Солнечные батареи имеют свою ВАХ (вольт-амперную характеристику), измеряемую в стандартных тестовых условиях (STC -Standart Test Conditions, солнечная радиация 1000 Вт/м2, температура — 25°С и солнечный спектр на широте 45° (АМ1,5). На рисунке можно наглядно увидеть зависимость между током и напряжением на выводах солнечного модуля.

Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (Voc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (Isc). В этих крайних точках ВАХ мощность солнечного модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Оптимальным значением является точка максимальной мощности (MPP). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как Vp (номинальное напряжение) и Ip (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля

Солнечный модульможет работать при любом параметре напряжения и тока, расположенным на его вольт-амперной характеристике (ВАХ), но в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль подключен. В настоящее время используются наиболее продвинутые и высокоэффективные контроллеры заряда с технологией MPPT (Maximum Power Point Tracking). Вычисление максимальной точки эффективности заряда от солнечного модуля, позволяет повысить эффективность генерации солнечной энергии до 25-30% по сравнению с контроллерами on/off и PWM. Установка контроллера с технологией MPPT во многих случаях эквивалентна установке дополнительного количества солнечных модулей на объекте.

Источник

Теория солнечных батарей — Theory of solar cells

Теория солнечных элементов объясняет процесс , с помощью которого световая энергия в фотонах преобразуются в электрический ток , когда фотоны воздействуют подходящее полупроводниковое устройство. Теоретические исследования имеют практическое применение, поскольку они предсказывают фундаментальные ограничения солнечного элемента и дают представление о явлениях, которые способствуют потерям и эффективности солнечного элемента .

СОДЕРЖАНИЕ

Рабочее объяснение

1. Фотоны в солнечном свете попадают на солнечную панель и поглощаются полупроводящими материалами.
2. Электроны (отрицательно заряженные) отделяются от своих атомов при возбуждении. Из-за их особой структуры и материалов в солнечных элементах электроны могут двигаться только в одном направлении. Электронная структура материалов очень важна для работы процесса, и часто кремний, содержащий небольшое количество бора или фосфора , используется в разных слоях.
3. Массив солнечных элементов преобразует солнечную энергию в полезное количество электричества постоянного тока (DC).

Фотогенерация носителей заряда

Когда фотон попадает в кусок кремния, может произойти одно из трех:

1. Фотон может проходить прямо через кремний — это (обычно) происходит с фотонами с более низкой энергией.
2. Фотон может отражаться от поверхности.
3. Фотон может быть поглощен кремнием, если энергия фотона выше, чем значение ширины запрещенной зоны кремния . Это генерирует электронно-дырочную пару, а иногда и тепло, в зависимости от зонной структуры.

Когда фотон поглощается, его энергия передается электрону в кристаллической решетке. Обычно этот электрон находится в валентной зоне . Энергия, передаваемая электрону фотоном, «возбуждает» его в зону проводимости, где он может свободно перемещаться внутри полупроводника. Сеть ковалентных связей, частью которой раньше был электрон, теперь имеет на один электрон меньше. Это называется дырой. Наличие недостающей ковалентной связи позволяет связанным электронам соседних атомов перемещаться в «дырку», оставляя другую дыру позади, таким образом распространяя дырки по решетке. Можно сказать, что фотоны, поглощенные в полупроводнике, создают электронно-дырочные пары.

Фотону требуется только энергия, превышающая энергию запрещенной зоны, чтобы вывести электрон из валентной зоны в зону проводимости. Однако спектр солнечной частоты приближается к спектру черного тела при температуре около 5800 К, и поэтому большая часть солнечного излучения, достигающего Земли , состоит из фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны кремния. Эти фотоны с более высокой энергией будут поглощаться солнечным элементом, но разница в энергии между этими фотонами и шириной запрещенной зоны кремния преобразуется в тепло (через колебания решетки, называемые фононами ), а не в полезную электрическую энергию. Фотоэлектрический эффект также может возникать, когда два фотона поглощаются одновременно в процессе, называемом двухфотонным фотоэлектрическим эффектом . Однако для этого нелинейного процесса требуются высокие оптические интенсивности.

Р-п переход

Наиболее широко известный солнечный элемент имеет форму pn-перехода большой площади из кремния. Для упрощения можно представить, что слой кремния n-типа находится в прямом контакте со слоем кремния p-типа. На практике pn-переходы кремниевых солнечных элементов создаются не таким способом, а путем диффузии легирующей примеси n-типа в одну сторону пластины p-типа (или наоборот).

Если кусок кремния p-типа помещается в тесный контакт с куском кремния n-типа, то диффузия электронов происходит из области высокой концентрации электронов (сторона перехода n-типа) в область низкой концентрация электронов (сторона p-типа перехода). Когда электроны диффундируют через pn переход, они рекомбинируют с дырками на стороне p-типа. Однако (в отсутствие внешней цепи) эта диффузия носителей не продолжается бесконечно, потому что заряды накапливаются по обе стороны от перехода и создают электрическое поле . Электрическое поле способствует потоку заряда, известному как дрейфовый ток , который противодействует и в конечном итоге уравновешивает диффузию электронов и дырок. Эта область, где электроны и дырки диффундируют через переход, называется областью обеднения, потому что она практически не содержит подвижных носителей заряда. Она также известна как область пространственного заряда , хотя объемный заряд простирается немного дальше в обоих направлениях, чем область истощения.

Разделение носителей заряда

Есть две причины движения и разделения носителей заряда в солнечном элементе:

1. дрейф носителей, движимый электрическим полем, при этом электроны толкаются в одну сторону, а дырки — в другую.
2. диффузия носителей из зон с более высокой концентрацией носителей в зоны с более низкой концентрацией носителей (следуя градиенту химического потенциала).

Эти две «силы» могут работать друг против друга в любой точке клетки. Например, электрон, движущийся через переход из области p в область n (как на диаграмме в начале этой статьи), толкается электрическим полем против градиента концентрации. То же самое и с отверстием, движущимся в противоположном направлении.

Проще всего понять, как генерируется ток, если рассмотреть электронно-дырочные пары, которые создаются в зоне обеднения, где есть сильное электрическое поле. Электрон выталкивается этим полем в сторону n, а дырку — в сторону p. (Это противоположно направлению тока в диоде с прямым смещением, таком как работающий светодиод .) Когда пара создается за пределами зоны пространственного заряда, где электрическое поле меньше, диффузия также действует для перемещения носителей, но переход по-прежнему играет роль, перемещая любые электроны, которые достигают его со стороны p на сторону n, и перемещая любые дырки, которые достигают его со стороны n на сторону p, тем самым создавая градиент концентрации за пределами зона пространственного заряда.

В толстых солнечных элементах в активной области за пределами зоны пространственного заряда очень мало электрического поля, поэтому преобладающим способом разделения носителей заряда является диффузия. В этих ячейках диффузионная длина неосновных носителей (длина, которую фотогенерированные носители могут пройти до их рекомбинации) должна быть большой по сравнению с толщиной ячейки. В тонкопленочных элементах (таких как аморфный кремний) диффузионная длина неосновных носителей обычно очень мала из-за наличия дефектов, поэтому основное разделение зарядов, таким образом, дрейфует под действием электростатического поля перехода, которое распространяется до на всю толщину клетки.

Как только неосновной носитель попадает в область дрейфа, он «уносится» через переход и на другой стороне перехода становится основным носителем. Этот обратный ток представляет собой ток генерации, питаемый как термически, так и (если он присутствует) за счет поглощения света. С другой стороны, основные носители перемещаются в область дрейфа за счет диффузии (в результате градиента концентрации), что приводит к прямому току; только основные носители с наибольшей энергией (в так называемом хвосте Больцмана; см. статистику Максвелла – Больцмана ) могут полностью пересечь область дрейфа. Следовательно, распределение носителей во всем устройстве регулируется динамическим равновесием между обратным током и прямым током.

Подключение к внешней нагрузке

Омические контакты металл- полупроводник выполнены как со стороны n-типа, так и со стороны p-типа солнечного элемента, а электроды подключены к внешней нагрузке. Электроны, которые создаются на стороне n-типа или создаются на стороне p-типа, «собираются» переходом и переносятся на сторону n-типа, могут перемещаться по проводу, питать нагрузку и продолжать движение по проводу. пока они не достигнут контакта полупроводник-металл p-типа. Здесь они рекомбинируют с дыркой, которая была создана либо как электронно-дырочная пара на стороне p-типа солнечного элемента, либо с дырой, которая прошла через переход со стороны n-типа после того, как была создана там.

Измеренное напряжение равно разнице квазиуровней Ферми основных носителей заряда (электронов в части n-типа и дырок в части p-типа) на двух выводах.

Источник

Измеряем «солнце». ВАХ солнечных панелей своими руками

Я провожу бесплатные обследования солнечных станций, в результате чего в меня летят тапки мне делают замечания, что для предъявления гарантийных претензий нужно измерять именно падение мощности солнечной панели, к которой в основном и привязана гарантия. Так я пришел к необходимости обзавестись собственным прибором по снятию ВАХ ( IV Curve ) солнечной панели. Как сделать его самому за

100$, и что это даёт — далее

Вступление

К сожалению, тестирование солнечных панелей даже профессиональным прибором, не является достаточным условием для производителя. Для полноценного юридического статуса и возможности вести диалог на равных с производителями солнечных панелей, нужно пройти сертификацию TÜV SÜD. Ни одной сертифицированной лаборатории в Украине нет. Я писал в головной офис TÜV SÜD, но наверно что то пошло не так.

Итого — выбросить >1К$ за красивую игрушку (без сертификации) смысла не было, алгоритм построения ВАХ расписан детально, отчего бы не построить свой велосипед прибор?

Но пока я читал про алгоритмы, то набрёл на IV Swinger 2, где сделали уже мопед создание которого расписано пошагово и очень чётко. При этом создатель инструкции очень толковый и общительный человек, за что ему отдельное спасибо.

Характеристики этой модификации покрывают все современные панели, в отличии от старых версий профессиональных измерителей. Снятие ВАХ солнечной панели занимает не более пары секунд. Единственным минусом является слабая масштабируемость по напряжению, и одним махом измерить параметры всего стринга солнечных панелей им нельзя, только отдельного экземпляра. Но даже сняв параметры всего стринга, всё равно нужно найти ту самую панель, которая так повлияла на общий результат, а ведь это именно то, что мы уже умеем!

Сборка

Далее процесс простой, но растянутый во времени.

паяем и тестируем.

Инструкция настолько подробная, что аж скулы сводит сборка напоминала конструктор лего.

Беда пришла откуда не ждали.

Для более точной настройки, а мне очень хотелось утереть нос владельцам приборов за 1К получить максимальную точность, есть возможности дополнительной точной калибровки. Для этого нужен блок питания на 100 В, который у меня как раз применяется для электролюминесценции.

Самое обидное, что статью https://habr.com/ru/post/537612/ я читал буквально накануне, но пробежал как то “по диагонали”, подумав что это не про меня, спойлер — не угадал. Рекомендую прочитать её, это может быть и про Вас.

Итого накрылась материнка и свежесобранный прибор, которым я успел проверить только пару аккумуляторов. Все детали, кроме плат, я заказывал впритык, поэтому еще минус пару недель, на повторную доставку сгоревших компонентов.

Первые тесты

Желание провести первый реальный тест распирало, поэтому погодные условия не брались в расчёт.

Долгожданный первый результат. Вот так работает панель на 320 Вт зимой.

С наступлением солнечной погоды, был проведен ряд более полезных тестов, для проверки влияния того или иного типа повреждения и/или затенения на работу солнечной панели.

Снять параметры панели не успел, затенение отказывалось позировать.

Частичное “жёсткое” (обычно похожее дают расположенные вплотную дымоходы и прочие естественные преграды)

И наиболее часто встречающаяся в реальности тень — от проводов.

И да, это так подрос главный помощник из самой первой части, с КДПВ.

Основные проблемы, которые могут быть с солнечными панелями, и какой вид при этом должна принимать ВАХ я расписал в статье.

Натурные испытания

Опять потянулся длительный период ожидания хорошей погоды, и спустя лишь много лет пару недель я смог приступить к измерениям на своей солнечной станции.

Внимание! Высокое напряжение!

Все дальнейшие действия нужно выполнять при чётком соблюдении правил техники безопасности, во избежание встречи с праотцами 20 см дуги постоянного тока напряжением 800 В и током в 10 — 25 А.

Обесточиваем солнечную электростанцию, размыкаем стринги, проверяем. И только после этого переходим к следующему этапу.

ВАХ солнечной панели мощностью 280 Вт, эталон, не затенённый

Тень от оптоволокна

Тепловизор практически ничего не видит

ВАХ солнечной панели с тенью и без тени практически не отличается. Можно списать на разброс как в самих панелях, так и погрешность измерения.

Тень от проводов

Тепловизор сигнализирует о проблеме

ВАХ тоже сигнализирует о проблеме

К сожалению, стринг который у меня затеняется, отличается от остальных по к-ву панелей. Поэтому измерить точное влияние данного затенения на падение мощности всего стринга нельзя. Методом расчетов на коленке по аналогии с соседними стрингами, у меня вышло порядка 5% потерь. Инвертор умеет снимать ВАХ всего стринга, но для это нужна корпоративная лицензия, которую мне обещал представитель вендора еще с осени, в виде исключения, но как то пока не сложилось, увы.

Затенение на панелях, в моём случае, проходит после 11 часов дня, и проявляется только в осенне — весенний период.

А это я подловил выход солнца из-за долгой тучи. Панель уже успела остыть, и кратковременно показала чудеса.

Итоги

Я использовал метод сравнительного анализа, при котором снимались данные с соседних панелей. Для абсолютных значений, нужно приобрести термометр и люксметр, и впоследствии приводить результаты к STC. В плате и программе предусмотрено их подключение. Даже на визуально чистом небе, может появляться невидимая глазу дымка, которая влияет на конечный результат.

Прибор получился довольно компактный и точный. Повторяемость результатов у меня была с точностью до 1 Вт.

К основным минусам стоит отнести трудоемкость процесса снятия показаний — станцию нужно обесточить, получить доступ к проводам от конкретной панели, что довольно часто невозможно, без полного демонтажа.

Если у Вас есть сомнения в работе своей солнечной станции, этот или аналогичный прибор считаю крайне необходимым и востребованным. Опять же, местные поставщики, подтверждают гарантию и по не сертифицированным приборам.

Наработки и результаты обследования солнечных станций я начал выкладывать в своём блоге. Для желающих углубиться в тему — есть так же живой форум по домашним солнечным электростанциям, присоединяйтесь.

Источник