Клетката е диод
Фотон с енергия, по-голяма от забранената зона, прехвърля електрон от валентната зона в зоната на проводимост. p-n преходът разделя зарядите и през външната верига тече фототок. Клетката е диод, който сам си прави ток: I = I_ph − I₀(e^{qV/nkT} − 1). Еквивалентната схема е източник на ток I_L (светлината), диод D, шунтово R_sh (утечки – трябва да е голямо) и серийно R_s (контакти – трябва да е малко).
Две числа описват кривата:
- I_sc – токът на късо съединение. Пропорционален е на светлината;
- V_oc – напрежението на празен ход. Расте само логаритмично със светлината, но пада с температурата.
Между тях има точка на максимална мощност (MPP). Колко „квадратна“ е кривата казва FF = P_m/(V_oc·I_sc).
Тестват се при STC: G = 1000 W/m², 25 °C, AM 1,5. AM 1,5 значи, че лъчите минават 1,5 пъти повече атмосфера от отвесните (около 48° от зенита). Извън атмосферата слънчевата константа е 1367 W/m².
Модул от 72 клетки, 1,3 m², получава 1000 W/m² при 25 °C. I_sc = 4,99 A, V_oc = 43 V. MPP е при 34,9 V и 4,54 A: 158 W. FF = 0,737, η = 12,2 %.
Токът
I(V) MPP
Мощността
P(V) MPP
При облак (200 W/m²) токът пада 5 пъти, а напрежението само с около 4 V – логаритъмът. В жега е обратно: токът почти не се мени, но напрежението пада с ~0,35 % на градус и мощността губи около една шеста. Затова панелите дават най-много в студен слънчев ден. Жълтата точка (MPP) се мести с всяка промяна.
MPPT: гони върха
Ако модулът е вързан направо към постоянен товар, работната точка е там, където кривата среща правата на товара. Тя е на MPP само при едни условия. MPPT (Maximum Power Point Tracking) е DC-DC преобразувател, който сам мести напрежението на модула. Най-простият алгоритъм е „смути и наблюдавай“: мести напрежението малко, гледа мощността. Ако е расла, продължава в същата посока, ако е паднала – обръща. Така се люлее около върха и го следи, когато облаците го местят. Същото прави и PMU в energy harvesting (тема 20).
При G = 1000 W/m² с резистор, подбран за STC (7,67 Ω), модулът дава 158 W, а с MPPT – 158 W.
30 стъпки на MPPT от 20 V
P(V) стъпките на MPPT
Розовите стебла са стъпките: от 20 V нагоре по кривата, после се люлеят около върха. При STC резисторът е точно на MPP и печалбата е нула. Пусни облак: резисторът сваля модула далеч от върха, а MPPT пак е на него. Разликата е мощността, която иначе се губи.
Технологиите
| Технология | КПД | Плюсове | Минуси |
|---|---|---|---|
| монокристален Si | 15–20 % (лаб. до 24 %) | най-ефективен, компактен, 25 г. гаранция | най-скъп, чувствителен на сянка |
| поликристален Si | 13–16 % | по-евтин, по-малко отпадък | по-малък КПД, до 65 °C |
| тънкослойни | a-Si 6–9 %, CdTe ≈ 8 %, CIGS 10–12 % | евтини, гъвкави, добре при слаба светлина | повече площ, деградация, Cd е токсичен |
| нови: перовскити, органични, багрилни | перовскит > 20 % (лаб.) | евтин процес, целият видим спектър | стабилност |
Самопроверка
1. Модул: V_oc = 43 V, I_sc = 5 A, FF = 0,75, 1,3 m² при STC. Колко е P_m и η?
P_m = 0,75·43·5 = 161 W; P_in = 1000·1,3 = 1300 W → η = 12,4 %.
2. Как се мени I_sc и V_oc при 5 пъти по-малко светлина?
I_sc пада 5 пъти (пропорционално); V_oc – само с няколко волта (логаритмично).
3. Какво е FF и какво показва?
FF = P_m/(V_oc·I_sc) – колко „квадратна“ е I-V кривата; колкото по-близо до 1, толкова по-добра клетка (малко R_s, голямо R_sh).
4. Как работи MPPT „смути и наблюдавай“?
Мести напрежението малко; ако мощността е расла – продължава в същата посока, ако е паднала – обръща. Люлее се около върха и го следва.