Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Солнечный элемент или фотоэлектрический преобразователь – это полупроводниковый прибор, который служит для преобразования световой энергии в электрическую, минуя стадии тепловой и механической форм энергии [1] .

Независимо от типа и схемы включения все кремниевые солнечные элементы при освещении генерируют напряжение величиной порядка 0.6 В. По иному обстоит дело с выходным током, который зависит от площади поверхности элемента и интенсивности излучения. Чем ярче свет, тем больший ток генерируется солнечным элементом [2].

Солнечные элементы использовались бы очень редко, если бы эксплуатировались в пределах упомянутых параметров. Для создания энергетических устройств с нужными характеристиками солнечные элементы соединяют в солнечные батареи, применяя последовательное, параллельное или смешанное соединения. Последовательное соединение элементов применяют тогда, когда возникает необходимость увеличения выходного напряжения, а параллельное соединение применяют в целях увеличения выходного тока.

При сборке солнечных батарей большое внимание необходимо уделять качеству каждого элемента, входящего в ее состав. Причина этого указано в нашей работе [3], где показано, что мощность батареи напрямую зависит от качества каждого элемента и его характеристик, поскольку мощность батареи в целом – это суммарная мощность ячеек, из которых он состоит. При этом выходная мощность батареи всегда оказывается меньше значения арифметической суммы мощностей ячеек, из которых составлена сама батарея. Это обуславливается потерями, которые возникают из–за рассогласования характеристик однотипных элементов. Например, при последовательном соединении десяти элементов с разбросом характеристик 10 % потери составляют примерно 6 %, а при разбросе 5 % - снижаются до 2 %.

Важнейшим параметром источников тока малой величины является вольтамперная характеристика (рисунок 1). В сущности, речь идет о параметрах каждой отдельно взятой ячейки, входящей в состав батареи.

Рисунок 1. Вольтамперная и мощностная характеристики солнечного элемента

На графике обозначены важнейшие точки ВАХ солнечного элемента – Uxx и Iкз. Точка пересечения кривой с осью тока называется током короткого замыкания Iкз, а с осью напряжения – напряжением холостого хода Uxх. В этих точках мощность элемента равна нулю. Значение Iкз солнечного элемента прямо пропорционально меняется при изменении освещенности, в то время как изменение освещенности практически не сказывается на величине Uхх.

На этом же графике приведена кривая мощности, получаемой от солнечных элементов в зависимости от нагрузки. Точка МРР – это точка максимальной мощности. Мощность всех солнечных элементов определяется всегда именно по этой точке. Напряжение, которое соответствует максимальной мощности, называется рабочим напряжением Uр, а соответствующий ток – рабочим током Iр [4].

Было произведено сравнение параметров двух элементов, выбранных случайным образом из одной партии одного производителя, а самих производителей было выбрано четыре. Для большей достоверности результатов сравнения удельных параметров солнечных элементов были выбраны элементы различной активной площади и, следовательно, различной мощности. Приведем паспортные данные каждой партии солнечных элементов:

Первая – 0.6 В и 30 мА размером 22х55 мм; где первая цифра относится к напряжению холостого хода, а вторая к току короткого замыкания.

Вторая – 0.6 В и 35 мА размером 40х40 мм;

Третья – 0.6 В и 50 мА размером 45х45 мм;

Четвертая – 0.6 В и 30 мА размером 53х30 мм.

Измерения проводились на потенциостате – гальваностате ПИ-50-Pro. В процессе измерения температура и освещенность элементов стабилизировалась. Максимальная погрешность измерения по напряжению и по току составляет 0.2%.

На рисунке 2 показаны вольтамперная и мощностная характеристики солнечных элементов из первой партии.

Рисунок 2. Слева – вольтамперная характеристика солнечных элементов. Справа – мощностная характеристика солнечных элементов

Напряжение холостого хода и ток короткого замыкания первого элемента при паспортных 0.6 В и 30 мА составляет 0.58 В и 41.79 мА, а второго элемента – 0.57 В и 30.45 мА. Указанный разброс объясняется разницей внутреннего сопротивления элементов, что не могло сказаться на мощности каждого из элементов. Максимальная мощность для первого элемента была достигнута при 28.82 мА и 0,47 В, и составила 13.48 мВт, а для второго элемента – 38.34 мА и 0,46 В, она составила 17.57 мВт. Активная площадь каждого из этих элементов составила 12,1 кв.см. Следовательно, удельная мощность элементов составит 1.11 мВт/кв.см. и 1.45 мВт/кв.см. Как видно, разброс мощности составляет 0.34 мВт/кв.см.

При исследовании второй партии солнечных элементов были получены вольтамперная и мощностная характеристики, показанные на рисунке 3.

Легко видеть, что разброс характеристик в этом случае существенно меньше, меньше и разница развиваемой мощности и, естественно, и удельных мощностей. Характеристики показаны в таблице 1.

Рисунок 3. Слева – вольтамперная характеристика солнечных элементов. Справа – мощностная характеристика солнечных элементов

Такое же хорошее совпадение получено и при исследовании элементов из третьей партии с активными поверхностями 45 на 45 мм. Как показано на рисунке 4 вольтамперная и мощностная характеристики солнечных элементов совпадают, либо отличаются только в пределах погрешности эксперимента.

Рисунок 4. Слева – вольтамперная характеристика солнечных элементов. Справа – мощностная характеристика солнечных элементов

При исследовании элементов четвертого производителя было замечено, что первый элемент имеет и вольтамперную и мощностную характеристику близкую к классическому виду, а характеристика второго солнечного элемента до напряжения 0.27 В соответствует классической вольтамперной и нагрузочной характеристикам, а выше этого значения наблюдается спадание тока и мощности, как это показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Слева – вольтамперная характеристика солнечных элементов. Справа – мощностная характеристика солнечных элементов

Вероятно это вызвано каким - то дефектом структуры или другими причинами, которые мы не стали исследовать, поскольку не ставили такой цели. Важно отметить, что присутствие такого элемента в составе батареи не только приведет к уменьшению общей мощности батареи, но и может создать аварийный режим работы батареи. Естественно, что такой элемент должен быть отбракован на первой стадии изготовления батареи.

Проделанные эксперименты по определению параметров солнечных элементов показали, что даже взятые из одной партии от одного производителя солнечные элементы имеют разброс параметров. Известно, что для сборки солнечной батареи максимальной мощности и к.п.д., необходимо согласовывать все элементы. Для этого необходимо, прежде всего, производить паспортизацию каждого элемента и, подбирая элементы нужных параметров, составлять из них батарею. Чем более строго производятся контроль и подбор элементов для солнечной батареи, то есть чем меньше разброс характеристик, тем выше электрические показатели всей батареи, тем выше её мощность [5].

Следовательно, возникает необходимость изготовления автоматизированной установки, которая позволяла бы делать измерения быстро, записывая измеренные параметры автоматически в память компьютера.

Таблица 1.