Опубликовано 19 марта 2014

Устройство солнечной батареи. Роль диодов в схеме солнечной панели

Понимание принципов работы солнечных панелей крайне важно при проектировании и эксплуатации электростанций. В этой статье мы изложим некоторые физические основы работы солнечных ячеек, а также особенности конструкции солнечных батарей. 

Устройство солнечной батареи

Рассмотрим устройство солнечной батареи. Фотоэлектрическая ячейка является полупроводниковой гетероструктурой, имеющей один p-n переход, который возникает на границе раздела двух полупроводниковых пластин p и n типа, соответственно, с «дырочной» и электронной проводимостью. На переднюю и заднюю поверхность ячейки нанесены электрические контакты. При падении света на солнечный элемент фотоны «выбивают» электроны из кристаллической решетки, образуя таким образом электронно- дырочную пару. Далее носители заряда свободно движутся под действием электрического поля p-n перехода. Таким образом, на обкладках солнечной ячейки появляется электро-движущая сила (ЭДС).

 Простейшая эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки выглядит следующим образом:

Рис.1 Эквивалентная схема солнечной ячейки.

Здесь Rп – последовательное  сопротивление солнечного элемента, Rш – шунтовое сопротивление солнечного элемента.

Мощность всей солнечной батареи складывается из мощности входящих в нее солнечных элементов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Введем обозначения: I – максимальный ток отдельного элемента, U – напряжение отдельного элемента, Nпс – число последовательно соединенных элементов, Nпр – число параллельно соединенных элементов, Iб – максимальный ток солнечной батареи, Uб – напряжение солнечной батареи.

При последовательном соединении солнечных ячеек имеем: Uб=U* Nпс, Iб=I.

Рис.2 Последовательное соединение солнечных элементов.

При параллельном соединении: Uб=U, Iб=I* Nпр

Рис.3 Параллельное соединение солнечных элементов.

Руководствуясь данным принципом можно рассчитать максимальный ток и напряжение для любой системы солнечных элементов

Приведем пример. Ячейки соединены в три каскада по 2 штуки, как показано на Рис.4

Рис.4 Схема соединения солнечных ячеек  в три каскада.

Для данной системы имеем: Uб=2U, Iб=3I.

Роль диодов в схеме солнечной панели

Как правило, в солнечной батареи все элементы соединены последовательно, вследствие чего возникает так называемая проблема «темного пятна». Рассмотрим солнечные панели, состоящие из большого числа элементов, соединенных последовательно. К батарее подключена нагрузка Rн. (Рис. 5)

Рис. 5 Схема солнечной панели из большого числа элементов и под нагрузкой

Предположим, один из солнечных элементов затенен. Сопротивление затененной ячейки намного больше сопротивления нагрузки, следовательно, на ней выделится почти вся энергия солнечной батареи, вследствие чего ячейка может перегреться и выйти из строя. 

Для борьбы с таким явлением параллельно каждой ячейке нужно включить шунтирующий диод Rш, как показано на Рис. 6.

Рис. 6 Схема солнечной батареи с шунтирующими диодами.

В результате, когда солнечный элемент освещен, шунтирующий диод находится под прямым напряжением смещения самого солнечного элемента и ток не пропускает. Когда элемент затенен, то есть его напряжение меньше падения напряжения на нем при протекании тока, создаваемого остальными ячейками в цепи, шунтирующий диод «открыт» обратным напряжением смещения.

В реальной жизни диодами шунтируется не каждый солнечный элемент (это слишком сложно и дорого), а группы элементов в солнечной батарее. Например, батарея из 72 ячеек 125*125мм, обычно имеет в своем составе три шунтирующих диода.

В рамках данной статье, мы затронули основные физические принципы работы солнечных фотоэлектрических систем. Более подробно тема изложена в монографии Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: пер. с англ. – М.:  энергоатомиздат, 1983.

Е.А. Коблучко

Вам также могут быть интересны другие статьи..