Як працює сонячна батарея?

Фотомодуль – це пристрій, який заснований на високотехнологічній, проте водночас такій простій технології перетворення сонячного світла в електроенергію. Але ми постараємося детальніше зрозуміти суть самого процесу перетворення.

Спочатку розберемось, що таке сонячна панель в цілому. Тож, сонячна панель, або як буде правильніше, фотовольтаїчний модуль – це спеціальна конструкція, яка складається з набору взаємозв’язаних фотоелектричних комірок. Кожна з цих комірок, або селів (cell – анг. комірка), виготовлена з певного напівпровідника, наприклад кремнію, який в переважній більшості застосовується для створення сонячних панелей, оскільки демонструє наразі найвищі показники продуктивності.

 

Як працює сонячна батарея? Коли сонячні промені потрапляють на цей напівпровідник, то він починає нагріватися, частково поглинаючи виділену від променів енергію. Фотони світла «вибивають» електрони з загальної атомної структури напівпровідника, і вільні електрони формують заряд.

Загалом, кожна з комірок не є суцільним сегментом кремнію, а по суті складається з двох шарів. Проте навіть цього не буде достатньо для створення повноцінного електричного поля, оскільки в чистому вигляді кремній не є надто хорошим провідником. Тож для формування позитивного та негативного заряді кремнієвих шарів, додатково домішують сторонні речовини.

Верхній шар кремнію насичується фосфором, який додає йому зайві електрони з негативним зарядом. Тож цей шар отримав назву n-тип (negative). В той час нижній сегмент насичується бором, що зменшує кількість електронів і формує позитивний заряд. Такий кремній отримав назву p-типу. Внаслідок цього, між кремнієвими шарами формується електричне поле. І як вже було сказано вище, коли фотон сонячного світла вибиває вільний електрон, електричне поле виштовхує його із з'єднання кремнію. Так формується струм. Тип такого провідника отримав назву P-N.

Отож, заряд сформовано. Яку практичну користь з нього отримати? Кожна комірка оснащується струмознімними шинами і електропровідними пластинами по боках, які виводячи отриманий струм в систему.

Що може впливати на генерацію? Погодні умови. Для максимального показника виробітку, інтенсивність сонячної інсоляції повинна бути високою. Але є одне «але».  Надто сильне перегрівання панелі провокує втрати потужності. Як було виявлено в ході лабораторних досліджень, це значення становить приблизно 0.4 % при нагріванні панелі на 1 градус від номінальної температури (45 градусів Цельсію.) Тому зимою показники продуктивності фотомодулів падають, адже рівень інсоляції є суттєво нижчим.

Потужність панелі визначити доволі просто. Якщо сонячна батарея замкнута певне навантаження з опором R, то в колі з'являється струм I, значення якого формується у відповідності роботи фотомодуля. Потужність Pn визначається формулою P = I*U, де U відповідатиме показнику напруги.

Сонячні батареї як працюють в загальній системі? Існують два способи взаємного задання сонячних панелей. Це послідовне та паралельне підключення. У першому випадку, збільшується вихідна напруга, у другому – вихідний струм. Для того, щоб збільшити і значення напруги і потужності, інколи комбінують ці два способи. Все одно зауважимо, що частіше використовують послідовний спосіб підключення. Підбирати панелі варто з однаковими вольт-амперними характеристиками, оскільки це має важливо для високого виробітку станції і її загальної справності.

Отриманий від масиву сонячних панелей змінний струм потрібно перетворити в постійний, для коректної роботи в загальній мережі. В якості перетворювача використовуємся інвертор, який може бути як і мережевого, так і автономного типів.

Отож, в даному матеріалі ми з’ясували базові фізичні принципи роботи окремого фотомодуля, як працюють сонячні батареї при послідовному та паралельному підключенні, і яким чином відбувається перетворення змінного в постійний струм.