Основные теоретические сведения

1 Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Изд. “Лань”, Спб-Мск-Краснодар, 2003, 480 с.

2 Ландсберг Г.С. Оптика. Изд. “Наука”, М., 1989, 760 с.

Исследование характеристик фотоэлектрического модуля

Методические указания к лабораторной работе

 

 

Набережные Челны

Исследование характеристик фотоэлектрического модуля: Методические указания к лабораторной работе. /Составители: Валиев Р.И., Гумеров А.З., Хафизов А.А. – Набережные Челны: Изд-во ИНЭКА. 2012. – __ с.

 

Рецензент: _____________________________________

 

 

Печатается в соответствии с решением научно-методического совета Камской государственной инженерно-экономической академии

 

ÓКамская государственная

инженерно-экономическая

академия, 2012 г.

Лабораторная работа

Исследование характеристик фотоэлектрического модуля

Цель работы:Исследовать вольтамперные и энергетические характеристики фотоэлектрического модуля.

 

Основные теоретические сведения

Человечество может использовать энергию солнца для разных целей. Одна из них – это выработка электрической энергии. При использовании солнечных батарей энергия солнца напрямую преобразуется в электрическую. Этот процесс называется фотоэлектрический эффект.

Использование солнечного электричества имеет много преимуществ. Это чистый, тихий и надежный источник энергии. Впервые фотоэлектрические батареи были использованы в космосе на спутниках.

Сегодня солнечное электричество широко используется во многих областях. В удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения, солнечные батареи используются для электроснабжения отдельных домов, для подъема воды и охлаждения лекарств. Эти системы зачастую используют аккумуляторные батареи для хранения выработанной днем электроэнергии. Кроме того, калькуляторы, телекоммуникационные системы, буи и т.д. работают от солнечного электричества.

Другая область применения – это электроснабжение домов, офисов и других зданий в местах, где есть централизованная сеть электроснабжения. В последние годы именно это применение обеспечивает около 90% рынка солнечных модулей. В подавляющем большинстве случаев солнечные батареи работают параллельно с сетью, и генерируют экологически чистое электричество для сетей централизованного электроснабжения.

Солнце постоянно излучает огромное количество энергии. Только часть его достигает Земли. Но даже эта часть солнечной энергии, попадающая на Землю в течение одного дня, может покрыть все потребности человечества в энергии на целый год. К сожалению, не вся эта энергия может быть использована. Часть солнечной энергии поглощается атмосферой или отражается обратно в космос.

Интенсивность солнечного света, которая достигает земли, меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или еще по-другому «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное излучение. Иррадиация измеряется в Вт∙ч/м² в день, или другой период.

Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется воздушной массой. Воздушная масса определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.

Иррадиация меняется в течение дня и от места к месту, особенно в горных районах. Иррадиация меняется в среднем от 1000 кВт∙ч/м² в год для северо-европейских стран, до 2000-2500 кВт∙ч/м² в год для пустынь. Погодные условия и склонение солнца (которое зависит от широты местности), также приводит к различиям в приходе солнечной радиации.

Для генерации электричества от солнца необходим солнечный модуль, который состоит из одного или многих солнечных фотоэлектрических элементов. Солнечный элемент (фотоэлемент, фотоэлектрический преобразователь – ФЭП) – это полупроводниковый прибор, который служит для преобразования световой энергии в электрическую. Когда на солнечный элемент падает солнечный свет, материал солнечного элемента поглощает часть солнечного света (фотоны). Каждый фотон имеет малое количество энергии. Когда фотон поглощается, он инициирует процесс освобождения электрона в солнечном элементе. Вследствие того, что обе стороны фотоэлектрического элемента имеют токоотводы, в цепи возникает ток, когда фотон поглощается. Солнечный элемент генерирует электричество, которое может быть использовано сразу или сохранено в аккумуляторной батарее.

Пока солнечный элемент освещается, процесс образования свободных электронов продолжается и генерируется электричество. Материалы, из которых делается элемент – это полупроводники с особыми свойствами.

Простейшая конструкция солнечного элемента – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рисунке 1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда солнечный элемент освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой. В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение. Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой - положительному.

Рисунок 1 – Принцип действия фотоэлектрического элемента

1 – солнечный свет (фотоны); 2 – фронтальный контакт; 3 – негативный слой; 4 – слой p-n-перехода; 5 – позитивный слой; 6 – задний контакт.

 

Однако, солнечные элементы являются нелинейными устройствами и их поведение нельзя описать простой формулой типа закона Ома. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых – вольтамперных характеристик (ВАХ).

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, составляет около 0,6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента.

По иному обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и площади его поверхности (рисунок 2).

Рисунок 2 – Вольтамперные характеристики солнечного элемента при различных интенсивностях света

 

Нагружая солнечный элемент, можно построить график зависимости выходной мощности от напряжения, который представлен на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Зависимость силы тока и мощности от напряжения солнечного элемента

Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25 ºC он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4%/градус (рисунок 4). В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70 ºС теряя 0,07-0,09 В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом, поэтому они требуют дополнительного охлаждения.

 

Рисунок 4 – Вольтамперные характеристики солнечного элемента при различных температурах поверхности

 

КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16 %. Это значит, что элемент размером 100х100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольтамперной характеристики

,

где k – постоянная Больцмана; T – температура, К; q – заряд электрона; I_ph – фототок; I_s – ток насыщения.

Стандартными условиями для паспортизации солнечных батарей во всем мире признаются следующие:

- освещенность 1000 Вт/м²;

- температура 25 ºC;

- спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте 45º).