Фотоволтаици

Известно е, че с термина фотоволтаик се означава фотоелемент, преобразуващ светлинната енергия в електрическа, т.е. предназначен за работа като генератор на електроенергия.

Всички фотоелементи работят на принципа на вътрешния фотоефект, открит от френския учен Хенри Бекерел през 1839 г. За любителите на научната история, Бекерел получава електрически ток при осветяване на два електрода, потопени в слабопроводим химичен разтвор. След това, вътрешният фотоефект е наблюдаван и при твърдите тела, послужил като основа за конструиране на селеновия фотоелемент. Същността на вътрешния фотоефект се обяснява най-лесно с помощта на зонната теория. Падащият върху атома светлинен фотон повишава енергията на електрон от валентната зона, което му позволява да премине в зоната на проводимост. По такъв начин се освобождават електрически заряди, чието насочено движение във външна верига представлява електрически ток.

Материали за фотоелементи

Съвременните фотоелементи се произвеждат от полупроводници. Основните видове фотоелементи са изградени от:

Монокристален силиций - цялата клетка представлява един монокристал от силиций, в който е образуван р-n преход. Монокристалите се произвеждат на основата на скъпи технологии, което определя и високата цена на този тип клетки. Те обаче осигуряват относително висок коефициент на полезно действие - от порядъка на 14% за предлагани на пазара фотоволтаици. Съществуват данни за експериментални фотоелементи от този тип, които в лабораторни условия постигат до 24% КПД. Част от монокристалните фотоклетки се произвеждат от заготовки за микроелектронното производство, които показват твърде много дефекти, за да бъдат използвани за производство на чипове, но могат да работят добре като фотоволтаици.

Кадмиев телурит (СаТе) - приема се като един от перспективните материали за фотоволтаици, произвеждани на основата на тънкослойната технология. Фотоелементите са евтини, дори с по-ниска цена в сравнение с тези от аморфен силиций, с КПД около 8%, експлоатационен живот 10 и дори повече години.

Фотоелемент

от кристален силиций

Въпреки че се наблюдава тенденция към непрекъснато увеличаване на производството на тънкослойни фотоволтаици, понастоящем най-голям пазарен дял имат фотоволтаиците от монокристален и поликристален силиций. Според данни от пазарни проучвания, болшинството от годишно продаваните фотоволтаици в Европа са такива.

Структурата на единична фотоклетка е показана на фиг. 1.

Силициевият фотоелемент представлява диод. На практика всички диоди проявяват вътрешен фотоефект, ако преходът им се освети. Разликата между обикновените диоди и фотоволтаиците е, че последните са изпълнени по начин, осигуряващ възможно най-голям фототок.

Тъй като фотоволтаичната (ФВ) клетка е реализирана като диодна структура, то графичното означение за фотодиод много често се използва и като означение за фотоволтаична клетка. При анализа на процесите в полупроводниковите фотоволтаиците е важно да се знае, че те са диоди и реагират като такива, особено ако към тях се подаде външно напрежение в права посока.

Волтамперната характеристика
на фотоелемент

е показана на фиг. 2. В статията понятията фотоелемент и единична фотоволтаична клетка се припокриват. Често терминът фотоелемент се използва за сензори за светлина или лъчение, а фотоволтаик за устройства, предназначени да работят като генератори на електричество.

Характеристиката представлява фамилия от криви с параметър светлинния поток върху фотоелемента. При липса на осветяване на фотоелемента (Ф=0), той се “държи” като обикновен диод. За положителна посока на напрежението и тока е избрана тази, която поляризира р-n прехода в права посока. При осветяване на прехода се генерира фототок, който е толкова по-силен, колкото по-голям е осветяващият поток.

От волтамперната характеристика се вижда, че фотоелементът може да работи в три квадранта. За работа в първи квадрант се изисква подаване на външно напрежение върху фотоелемента. Тогава р-n преходът е поляризиран в права посока и протича ток вследствие на напрежението на външния източник. Фотоелементите не се използват в практиката за работа в този режим.

За работа в трети квадрант се изисква фотоелементът да е захранен с външно напрежение, поляризиращо прехода в обратна посока. При такова напрежение диодът, който изгражда фотоелемента, е запушен и при липса на осветеност тече само малкият обратен ток, дължащ се на дефекти и примеси в кристалната решетка. При осветяване на прехода протича обратен ток, който е толкова по-голям, колкото по-голям е светлинният поток върху фотоелемента. Тъй като при постоянно обратно напрежение обратният ток се увеличава с осветеността, се казва, че расте и проводимостта на елемента. Този режим, известен като фотодиоден, намира приложение в някои измервателни схеми, в които фотоелементът се използва като сензор или приемник на светлина или лъчение.

Работата на фотоелемента в четвърти квадрант

не изисква подаване на външно напрежение. При работа в този квадрант фотоелементът е източник на електричество - напрежение и ток. Това е режимът, в който работят фотоволтаиците. Тъй като само четвърти квадрант от волтамперната характеристика на фотоволтаиците представлява интерес, то почти винаги се изобразява само той, а останалите квадранти не се показват изобщо. Също така, много често фактът, че токът и напрежението са противопосочни, се пренебрегва и се работи само с положителни величини. В такъв случай волтамперната характеристика на фотоволтаика се изобразява, както е показана на фиг. 4 - крива I(U).

Съществуват различни модели на фотоволтаични елементи, които отчитат процесите в тях с различна точност. Най-често използвани са еднодиодната и двудиодната заместваща схема на фотоволтаик. Заместващата схема представлява модел на фотоволтаичната клетка, който позволява анализа на електрическите процеси в нея да се извършва с помощта на теорията на електрическите вериги.

Мощност на фотоволтаична клетка

Тъй като фотоволтаикът е постояннотоков източник, неговата мощност се изчислява по зависимостта - Р=U.I. Ако за всяка точка от волтамперната характеристика се изчисли мощността на фотоволтаичната клетка, се получава крива с максимум, показана на фиг. 4.

Във волтамперната характеристика на фотоволтаика могат да се обособят три зони, означени на фиг. 4 с римски цифри. В първата зона (I) токът остава относително постоянен с изменение на напрежението. В тази зона фотоволтаичната клетка се държи като източник на ток.

Втората зона (II) е зоната на максимална мощност. Системата за управление трябва да осигурява работната точка да попада в тази зона във всеки момент от времето на използване на фотоволтаика. Характеристиката не се отнася нито към идеалните източници на напрежение, нито към идеалните източници на ток. Фотоволтаикът в този участък се държи подобно на източниците, осигуряващи захранване при наличие на дъгов разряд.

Идеалната характеристика би представлявала права линия, успоредна на абцисата, за напрежения от 0 до U0, и права успоредна на ординатата за токове от 0 до тока на късо съединение Iкс. При идеалната характеристика се приема, че отсъстват токът на утечка и падът на напрежение във вътрешното съпротивление.

Ефективност на фотоволтаична клетка

Като груба оценка на качествата на фотоволтаика се използва т.нар. фактор на запълване или коефициент на запълване (fill factor), който се дефинира като отношение на максималната мощност на реалния фотоволтаик към максималната мощност, получена от идеалната V-А характеристика: FF = UmIm/IkcU0

В знаменателя на израза стоят токът на късо съединение и напрежението на празен ход, чието произведение формира максималната мощност при идеална V-А характеристика. Множителите в числителя са напрежението и токът в точката на максимална мощност - фиг. 4.

На фиг. 5 е показана реална и идеална V-А характеристики на фотоволтаик. Означена е и точката на максимална мощност върху реалната характеристика. Факторът на запълване FF представлява отношение на площите на правоъгълника, образуван от прекъснатата линия и правоъгълника с плътна линия. Колкото по-близки по площ са тези два правоъгълника, като толкова по-добра се определя фотоволтаичната клетка. Качествените фотоволтаици на пазара са с фактор на запълване 0.7 - 0.8.

Температурата оказва влияние върху ефективността на фотоволтаичната клетка, като обикновено с намаляване на температурата факторът на запълване расте. Следователно, с нарастване на температурата на фотоволтаиците с кристален силиций, коефициентът им на полезно действие намалява.

Затъмняването на част от фотоволтаичен панел е опасно

Масово произвежданите в момента фотоволтаични клетки от кристален силиций осигуряват напрежение около 0,6 V и максимален ток при пълно осветяване от порядъка на 1.2 А. При изграждането на фотоволтаичен панел отделните клетки се свързват последователно и паралелно. В зависимост от напрежението на панела, определен брой фотоклетки се свързват последователно, като формират един клон. Например двадесет последователно свързани клетки ще формират един клон, генериращ около 12 V. След това няколко такива клона се свързват в паралел. Схематично това е показано на фиг. 6.

Обикновено към отделните последователни клонове се свързва антипаралелно по един диод, който има за цел да шунтира целия клон, ако случайно той е затъмнен. Затъмняването само на част от фотоволтаичния панел, в частност само на една фотоволтаична клетка, е опасно. Обикновено съпротивлението на затъмнената фотоволтаична клетка - Rsh, е много по-голямо от това на товара - RT (фиг. 3). Затова във верига, в която има затъмнени и незатъмнени клетки, товарното съпротивление играе ролята на свързващо съпротивление, а ролята на товар се поема от затъмнената клетка. Това би могло да причини нейното термично разрушаване. Антипаралелните диоди ограничават този ефект, но само ако е затъмнен цял клон, а затъмняването на единична клетка остава в опасен режим. Затова фотоволтаиците трябва периодично да се почистват - особено от зацапвания от птици, които причиняват точно такова локално затъмняване.

Стандартни условия
на работа на фотоволтаиците

Ефективността на един фотоволтаик зависи от много фактори, включително температурата на кристала, спектъра на светлината, ориентацията към слънцето, географското местоположение, където е инсталиран и др.

Прието е всички параметри на фотоволтаиците да се дават за точно определени условия, наречени стандартни:

Последната величина се дава в единица, наречена въздушна маса (Air Mass - AM). В космоса отсъства атмосфера, затова се казва, че въздушната му маса е 0 - АМ0. Точно по обяд светлината пада почти перпендикулярно на земната повърхност и изминава най-кратко разстояние в атмосферата. Това разстояние е прието за единица и се означава като АМ1. Пътят на светлината през атмосферата влияе на спектралния й състав, а от там и на ефективността на фотоволтаиците. По тази причина е прието мощността на панелите да се дава за АМ1.5, което отговаря на осреднения път на светлината за целия ден при фотоволтаици, монтирани в географски ширини с умерен климат, към които принадлежи и България. Инсталираната мощност при фотоволтаични централи се изразява в Wp - пикова мощност, която фотоволтаиците ще генерират при посочените стандартни условия.

Като се отчете цената, по която се изкупува електроенергията от фотоволтаици и необходимите вложения, направената инвестиция се изплаща за средно 8 - 10 години. При икономическия анализ на подобна инвестиция следва да се отчете фактът, че животът на модулите от кристален силиций е повече от 25 години.