3.4. Особенности электрической цепи содержащей солнечный фотоэлемент

Солнечные элементы, как и любые другие генераторы тока, можно использовать для получения электроэнергии. На рис. 3.14 показана эквивалентная схема цепи, содержащей солнечный элемент [22].

Рис. 3.14. Эквивалентная схема солнечного элемента: РПМ – устройство регулировки по максимальной мощности; 1 – батарея аккумуляторов; 2 – активная нагрузка

Положительное направление тока  устройства в целом совпадает с положительным направлением тока в солнечном элементе. При постоянном радиационном потоке асимметрия вольт-амперной характеристики (рис. 3.15) определяется наличием темнового тока _D. Максимум энергии достигается, если поддерживать значения V и  такими, чтобы их произведение совпадало с линией максимальной мощности (рис. 3.15) и при изменении облученности, и сопротивления нагрузки. Это соответствует почти постоянному напряжению в пределах 25 % V_oc.

Рис. 3.15. Вольтамперная характеристика типичной солнечной батареи. Штриховая кривая показывает максимум произведения VI и хорошо согласуется с областью напряжений, требуемых для зарядки аккумуляторных батарей (), даже без использования устройства контроля нагрузки

В отличие от чисто активной нагрузки, когда падение напряжения зависит от силы тока в цепи, в случае аккумуляторной батареи при изменении силы тока разность потенциалов остается практически постоянной.

Поэтому для аккумуляторной батареи можно регулировать и напряжение V, и ток  так, чтобы находиться вблизи линии максимальной мощности на вольтамперной характеристике (рис. 3.15).

Таким образом, при любой нагрузке, включая аккумуляторы, наилучшее сочетание параметров достигается все же при использовании устройств регулировки нагрузки по максимальной мощности. Эти устройства представляют собой преобразователи постоянного тока. Применение их в цепи позволяет достигать полезного потребления в нагрузке 95% максимальной выходной мощности при различных условиях облученности солнечной батареи.

Из эквивалентной схемы (рис. 3.14) следует, что

R_gh =_LR_gh – _DR_gh – (V – IR_s) . (3.20)

С учетом (3.17) запишем выражение для темнового тока в виде

_D = ₀ {exp[e(V-IR_s) / (AkT)]-1} . (3.21)

Для кремния ₀  10^-7 Aм^-2. Для более точного описания реальных характеристик здесь введен коэффициент идеальности А. Почти для всех солнечных элементов А  1. Более высокие значения А приводят к появлению бόльшей кривизны вольт-амперной характеристики, а следовательно, и к уменьшению максимальной мощности. Этот эффект называется добавочным фактором. Он является следствием усиления рекомбинации электронов и дырок на дефектах кристалла.

При нагреве солнечного элемента происходит снижение V_ос и повышение _sc с соответствующим изменением вольтамперной характеристики. При повышении температуры солнечного элемента уменьшаетсяR_gh и R_s. Эмпирические соотношения, описывающие влияние наг­рева кремниевого элемента при облученности 1 кВтм^-2, имеют вид [23]:

(3.22)

, (3.23)

где = 25⁰С – выбранная температура; – температура солнечного элемента; температурные коэффициенты: а = (3,7 10^-3) ⁰С^-1; b = (6,4  10^-4) ⁰С ^-1 .

Повышение температуры в итоге приводит к снижению максимальной мощности. Эмпирическая зависимость P () для кремниевого фотоэлемента имеет вид:

, (3.24)

где с = 4  10^{-3 0}С^-1.

Батарея солнечных элементов обычно представляет собой комбинацию соединенных параллельно модулей. Каждый модуль, в свою очередь, состоит из последовательно соединенных фотоэлементов. А каждый фотоэлемент состоит из параллельно соединенных поверхностных элементов (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Схемы устройства типичных промышленных солнечных батарей: элемент (а); модуль из 33 элементов (б) и батарея (в)

Максимальное падение напряжения на контактах открытой цепи модуля составляет примерно 15 В, максимальный ток через модуль – около 1,5 А при облученности примерно 1 кВтм^-2. Очевидно, что может возникнуть ситуация, когда один из элементов выйдет из строя или поверхность батареи будет освещена неравномерно вследствие различной степени концентрации света или наличия тени.

В этом случае устройство будет работать в режиме диода с прямым или обратным смещением и, безусловно, может перегреваться. Для предотвращения лавинного пробоя параллельно каждой линии цепочек фотоэлементов необходимо устанавливать шунтирующие диоды. Предполагается, что при правильной и грамотной эксплуатации безаварийная работа коммерческих солнечных батарей будет достаточно длительной, а срок службы их составит 25 лет.