1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НАВЕДЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
1.1 Физические основы фотоэффекта
Фотоэлектрический эффект или фотоэффект – испускание электронов веществом под действием света (или любого другого электромагнитного излучения).
Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую энергию основан на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечных излучении.
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p – n переходов) или путем соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрошенной зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счет изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещенной зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом[1].
1.2 Типы фотоэлементов и принципы их работы
Фотоэлемент – это электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Солнечные элементы изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Фотоэлементы, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов соединенных между собой, образуя потенциальный барьер. Их работа основана на явлении p-n перехода возникающего под воздействием солнечного излучения. Фотоны, попадая на фотоэлемент в зону полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, «выбивает» электроны, которые начинают движение к зоне N, а затем пройдя через цепь (нагрузку) связываются с положительными зарядами (дырками). В результате движения электронов образуется разность потенциалов, или напряжение.
Большая часть из коммерческий выпускаемых в настоящее время солнечных элементов (СЭ) изготавливается из кремния (химический символ Si). Фотоэлементы являются ключевым звеном в создании солнечных батарей. Как правило, солнечные батареи состоят из кремния с различной степенью кристаллизации. Поэтому, глядя на отдельные ячейки фотоэлементов солнечной батареи можно увидеть, что они имеют различные цвета и оттенки. Некоторые элементы имеют расцветки от темно-синего до черного, другие, голубые с частичками кристаллов и т.д. Цвет ячейки зависит от технологии производства и используемого материала.
СЭ может быть следующих типов:
-
монокристаллический;
-
поликристаллический;
-
аморфный.
Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле.
1.2.1 Монокристалические солнечные элементы
Солнечные панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов более эффективны, но и более дороги в пересчете на ватт мощности. Их КПД, как правило, в диапазоне 14-16%. Обычно монокристаллические элементы имеют форму многоугольников, которыми трудно заполнить всю площадь панели без остатка. В результате удельная мощность солнечной батареи несколько ниже, чем удельная мощность отдельного ее элемента.
Рисунок 1.2 Монокристалический солнечный элемент
1.2.2 Поликристаллические солнечные элементы
Солнечные панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов наиболее распространены ввиду оптимального соотношения цены и КПД среди всех разновидностей панелей. Производство поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. Эти элементы характеризуются эффективностью в диапазоне 14-18%. Меньшее значение КПД объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных зернистыми границами, которые препятствуют более высокой производительности элементов. Однако цена таких элементов ниже. Обычно поликристаллические фотоэлементы обладают синим цветом с четко выраженными кристаллами кремния.
Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния показан на рисунке 1.
Рисунок 1 Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния