Вольт-амперна характеристика сонячної батареї
Сонячні електростанції, основою роботи яких покладено принцип прямого перетворення енергії сонячного випромінювання на електрику, зайняли міцні позиції у системі енергозабезпечення Землі. З кожним роком потужність цих енергоустановок зростає.
Якщо 2004 року частка електрики, виробленого всіма гелієвими електростанціями, становили 0.01% від загального виробництва електрики Землі, то за десять років, 2014-го, ця частка становила 0.79%.
Для спорудження таких електростанцій потрібна величезна кількість кремнію – основного напівпровідникового матеріалу, який виробляє електричний струм при опроміненні сонячним світлом. З точки зору ефективності найбільш підходящим для цього є чистий монокристалічний кремній.
При складанні кожного модуля – незалежно від того, призначений цей модуль для установки в потужній промисловій електростанції або в маленькій домашній – велика увага приділяється якості кожного осередку. Розміри осередків у різних модулях можуть бути різними, але в одному модулі всі осередки мають бути строго одного типорозміру. Справа в тому, що потужність модуля знаходиться в прямій залежності від якості кожного осередку та її характеристик.
Найважливішим параметром є вольт-амперна характеристика сонячної батареї. По суті, йдеться про параметри кожного окремо взятого осередку, що входить до складу батареї. Адже потужність модуля загалом – це сумарна потужність осередків, у тому числі він складається.
У випадку вольт-амперная характеристика (ВАХ) – це залежність струму, що протікає через електричну ланцюг від напруги, прикладеного до цього ланцюга. У разі сонячної батареї ця характеристика розглядається за наявності додаткових умов,які у світовій практиці були стандартизовані та застосовуються зараз при проектуванні всіх подібних систем у всьому світі. Відповідно до цих стандартів ВАХ сонячних елементів визначається при потужності випромінювання сонця, що дорівнює 1000 ватів на один квадратний метр. При цьому температура елементів повинна дорівнювати +25°С, а вимірювання повинні проводитися на широті 45°.
На графіку позначено найважливіші точки вольт-амперної характеристики напівпровідникового фотоперетворювача – Uxx та Iкз.
Для визначення робочих параметрів осередків на цьому графіку показана крива, що характеризує потужність досліджуваного фотоелектричного елемента. Цей графік є функцією потужності осередку залежно від навантаження. З графіка випливає, що номінальна потужність тієї чи іншої елемента визначено максимально можлива потужність при стандартних вихідних параметрах. Напруга, при якому досягається максимальна потужність, є робочою напругою та позначається Up. Відповідно струм, що відповідає максимальній потужності, є робочим і позначається Ip.
Зрозуміло, що з нульових значеннях струму чи напруги система працює, потужність дорівнює нулю. Система в роботі, коли струм і напруга досягають величин, порівнянних зі своїми робочими значеннями. При цьому, як правило, модуль набирається з більшої кількості осередків, ніж це необхідно для отримання робочої напруги.
Наприклад, для отримання значення робочої напруги 12 вольт набирається така кількість елементів, щоб на виході модуля отримати напругу 16 – 17 вольт. Це робиться для того, щоб компенсувати падіння робочої напруги через нагрівання елемента під впливом сонячних променів.
Справа в тому, що у кремнієвихнапівпровідників напруга холостого ходу зменшується на 0.4% зі збільшенням температури осередку на 1°С. У той самий час значення струму короткого замикання збільшується на 0.07% зі збільшенням температури 1°С.
Якщо освітленість комірки змінюється, то прямо пропорційно до ступеня освітленості змінюється і значення струму короткого замикання. У той самий час зміна освітленості мало позначається на величині напруги холостого ходу. Ефективність сонячного осередку обчислюється як відношення значення максимальної потужності до значення загальної потужності випромінювання сонця, визначеної за міжнародними стандартами (STC).
Щоб отримати необхідну робочу напругу та потрібну потужність, фотоелектричні елементи з'єднуються в електричні ланцюги. Ці ланцюги можуть бути послідовними чи паралельними. При з'єднанні кількох осередків у єдиний електричний ланцюг і одержують сонячну батарею. При цьому вихідна потужність батареї завжди виявляється меншою за значення арифметичної суми потужностей осередків, з яких складена сама батарея. Це зумовлюється втратами, що виникають через неузгодженість характеристик однотипних осередків.
Як було зазначено вище, кожної сонячної батареї підбираються осередки з максимально наближеними характеристиками. Як фізичними (типорозміри), так і електричними (вольт-амперні характеристики). Чим більш строго здійснюються контроль та підбір елементів для кожного сонячного модуля, тобто чим менше розкид характеристик, тим вищі електричні показники всього модуля, тим вища його потужність.
Проведені дослідження показали, що якщо послідовно поєднати десять елементів, що мають розкид характеристик до 10%, то втратипотужності становитимуть близько 6%. Якщо посилити відбір і знизити розкид показників до 5%, то втрати потужності зменшаться до 2%.
У процесі експлуатації сонячної батареї може виникнути ситуація, коли один або кілька елементів будуть затінені. У цьому випадку при послідовному з'єднанні затінені комірки розсіюватимуть потужність, яку виробляють комірки, що отримують світлове випромінювання в повному обсязі. При цьому затінені елементи швидко нагріватимуться і зрештою вийдуть з ладу. Це, звичайно, підвищує навантаження на справні ланцюги, що призводить до несправності всієї сонячної батареї. Щоб це не відбувалося, паралельно кожному осередку (або групі послідовно з'єднаних осередків) підключається байпасний діод.
І, нарешті, ще одна точка на графіку. Це точка МРР – точка максимальної потужності. Потужність всіх сонячних модулів визначається завжди саме по цій точці. І контролери МРРТ заряду акумуляторів працюють у режимі відстеження точки МРР при всіх режимах заряджання акумуляторів, а не на останньому, що підвищує їхню ефективність.
У цій точці напруга вища за номінальну, тому заряд акумуляторів відбувається швидше, ніж при використанні контролерів інших типів (наприклад, що працюють на принципі широтно-імпульсної модуляції). Тим самим при використанні контролера МРРТ кількість електроенергії, отриманої від одного модуля гелієвого на 10% - 30% більше, ніж при використанні контролера ШІМ (при рівній кількості сонячного випромінювання).
У сучасних технологічних лініях з виробництва осередків для сонячних батарей на всіх етапах виготовлення встановлені тонко юстовані прилади, що стежать за якістю виробів. Точно такому ж суворо контролюються і всі електричні характеристики виготовленихелементів. Тільки за таких умов зібраний гелієвий модуль може виробляти саме ту потужність, яка була розрахована при його розробці.