Принцип роботи сонячного елемента досить простий і полягає в наступному.

При висвітленні кремнієвий сонячний елемент генерує електричну напругу величиною 0,5 В. Незалежно від типу і схеми включення усі (великі і малі) кремнієві сонячні елементи генерують напругу 0,5 В.

По-іншому йде справа з вихідним струмом елемента. Він залежить від інтенсивності світла і розміру елемента, під яким мається на увазі площа поверхні. Ясно, що елемент площею 10х 10 см2 в 4 рази перевершує елемент площею 5×5 см2, отже, він видає в 4 рази більший струм. Сила струму залежить також від довжини хвилі світла і його інтенсивності, причому вона прямо пропорційна інтенсивності випромінювання. Чим яскравіше світло, тим більший струм генерується сонячним елементом. Сонячні елементи використовувалися б дуже рідко, якщо б експлуатувалися в межах згаданих параметрів. Лише в деяких випадках потрібне таке низька напруга (0,5 В) при довільних вимогах до величині споживаного струму.

   

Рис. 1

На щастя, тут немає обмежень. Сонячні елементи можна з’єднувати послідовно й паралельно з метою збільшення вихідних характеристик.

Будемо розглядати сонячні елементи як звичайні батарейки. Відомо, що для збільшення яскравості ліхтаря використовують кілька батарейок. По суті, при послідовному включенні батарейок збільшується повне напруга (рис. 1).

Те ж саме можна зробити з сонячними елементами. Поєднуючи позитивний висновок одного елемента з негативним висновком іншого, від двох елементів можна отримати напруга величиною 1 В. Подібним чином три елементи дадуть 1,5 В, чотири – 2 В і т. д. Теоретично напруга, що розвивається послідовно з’єднаними сонячними елементами, за умови, що є достатня їх кількість, може досягти тисячі вольт!

Збільшення вихідних характеристик сонячних елементів

На жаль, з точки зору збільшення вихідного струму послідовне з’єднання володіє властивим йому недоліком. При послідовному з’єднанні елементів живлення вихідний струм не перевершує рівня, характерного для гіршого елемента в ланцюзі. Це справедливо для всіх джерел живлення незалежно від того, чи є вони батареєю, блоком живлення або сонячними еле-ментами.

Це означає, що при будь-якому числі 2-амперних сонячних елементів у ланцюзі 1-амперний елемент буде визначати величину повного вихідного струму, тобто 1 А. Отже, якщо ви прагнете досягти максимальних характеристик, необхідно узгодити струми всіх елементів ланцюга.

Добре, з напругою все ясно. Але як збільшити вихідний струм сонячного елемента? Адже сонце світить з певною яскравістю.

Вихідний струм залежить від площі поверхні елемента, і тому природний шлях підвищення струму – це збільшення площі елемента (або елементів). Елементів? Саме!

   

Рис. 2

Якщо взяти чотири елементи розміром 5×5 см2 кожний і з’єднати їх паралельно, як показано на рис. 2, то можна досягти такого ж результату, як при заміні чотирьох елементів одним розміром 10×10 см2 (в обох випадках площа поверхні однакова і становить 100 см2).

Необхідно засвоїти, що при паралельному з’єднанні збільшується лише величина струму, а не напруги. Незалежно від кількості паралельно з’єднаних елементів (4 або 50) генерируемое напруга складе не більше 0,5 В.

Можна здогадатися, про що піде мова. Дійсно, щоб використовувати переваги обох способів включення, можна комбінувати послідовне і паралельне з’єднання елементів. Подібна комбінація називається батареєю.

Батареї можна складати в будь-якої бажаної комбінації. Найпростішою батареєю є ланцюжок з послідовно включених елементів. Можна також з’єднати паралельно ланцюжки елементів, окремі елементи в ланцюжках або поєднувати їх в будь-який інший комбінації. На рис. 3 представлені лише три приклади з можливих комбінацій.

Відмінності в характері з’єднань елементів на рис. 3, хоча всі вони володіють однаковими вихідними характеристиками, продиктує-

   Фотоелектричні батареї

ником різними вимогами до надійності. На рис. 3, а три послідовні ланцюжки елементів з’єднані паралельно. Такий спосіб використовується, коли висока ймовірність короткого замикання окремих елементів.

На рис. 3, б представлена ​​схема паралельно-послідовного з’єднання елементів. При такому з’єднанні вихід з ладу одного з елементів, наприклад, через появу тріщини, не призводить до втрати цілого ланцюжка внаслідок розриву ланцюга. В останньому прикладі (рис. 3, в) взяті до уваги обидва випадки з мінімумом з’єднань.

Можливі й інші типи з’єднань, і їхній вибір має визначатися конкретними умовами роботи вашого пристрою.

   

Рис. 3

Слід пам’ятати одну важливу умову. Незалежно від польоту вашої фантазії паралельно підключаються ланцюжки з елементів обов’язково повинні відповідати один одному по напрузі. Не можна паралельно з’єднувати ланцюжок з 15 елементів і коротку ланцюжок з 5 елементів. При такому з’єднанні батарея не буде працювати.

При роботі з сонячними батареями, як правило, стикаються з явищем, що не мають місця при використанні звичайних джерел живлення. Це явище пов’язане з так званим зворотним зсувом. Щоб збагнути, що це таке, звернемося до рис. 4,

   

Рис. 4

На цьому малюнку зображені 8 послідовно з’єднаних елементів. Повне вихідна напруга ланцюжка становить 4 В, а в якості навантаження підключений резистор RL. Поки все добре.

Але давайте затемнити фотоелемент D непрозорим предметом, наприклад рукою, і подивимося, що станеться. Ймовірно, ви думаєте, що напруга впаде до 3,5 В, чи не так? Нічого подібного!

Сонячний елемент, який не виробляє електричної енергії, являє собою ланку з великим внутрішнім опором, а не закоротки. Відбувається те ж, що і при розмиканні вимикача, але цей вимикач розімкнений не повністю – через нього протікає невеликий струм.

У більшості випадків ефективний опір затемненого сонячного елемента у багато разів більше величини навантажувального резистора RL. Тому практично можна розглядати RL як шматок дроту, що з’єднує негативний і позитивний висновки.

Це означає, що функцію навантаження виконує тепер елемент D. Що ж роблять інші елементи? Забезпечують енергією це навантаження!

В результаті елемент D розігрівається і при досить сильному розігріві може вийти з ладу (вибухнути). У результаті у нас залишається батарея з послідовної ланцюжка з одним недіючим елементом – незавидна ситуація.

   Зворотне зміщення

Ефективний шлях вирішення цієї проблеми – паралельне підключення шунтуючих діодів до всіх елементів, як це показано на рис. 5. Діоди підключені так, що при роботі сонячного елемента вони назад зміщені напругою самого елемента. Тому через діод струм не протікає, і батарея функціонує нормально.

   

Рис. 5

Припустимо тепер, що один з елементів затінюється. При цьому діод виявляється прямо зміщеним і через нього протікає в навантаження струм в обхід несправного елемента. Звичайно, вихідна напруга всього ланцюжка зменшиться на 0,5 В, але усунеться джерело саморуйнується сили.

Додаткова перевага полягає в тому, що батарея продовжує нормально функціонувати. Без шунтуючих діодів вона б повністю вийшла з ладу.

На практиці недоцільно шунтувати кожен елемент батареї. Необхідно керуватися міркуваннями економії і використовувати шунтуючі діоди, виходячи з розумного компромісу між надійністю і вартістю.

Як правило, один діод використовують для захисту 1/4 батареї. Таким чином, на всю батарею потрібно всього 4 діода. У цьому випадку ефект затінення буде призводити до 25%-ному (цілком допустимого) зниження вихідної потужності.

Не завжди серійні елементи в точності відповідають вашому задуму. Хоча вам намагаються запропонувати можливо більший вибір, немає способу задовольнити всі запити.

   Різка елементів на частини

На щастя, цього й не потрібно. Монокристалічних сонячних елементів можна надати будь-яку бажану форму.

Що це саме так, вам слід знати, бо монокристалів-вої сонячні елементи виготовлені з великого монокристала. Атом кремнію має чотири валентних електрони і утворює кубічну кристалічну решітку. На рис. 6 представлений типовий круглий сонячний елемент з виділеною зернистою структурою.

Якщо прикласти зусилля до цієї структури з сильно зв’язаних електронів, то вздовж дефектної лінії з’явиться тріщина. Це дуже схоже на тріщину, яка виникає в результаті землетрусу. Структура кристала відома, і, отже, напрямок тріщини можна передбачити.

Якщо зусилля прикладене до краю зображеної на рис. 6 пластини в точці А, то механічні сили, що діють усередині кристала, розколють його на дві половини. Тепер замість одного елемента є два.

Скажімо, необхідно розколоти такий елемент на чотири однакові частини. Цього можна досягти, доклавши зусилля спочатку уздовж вертикальної дефектної лінії, а потім уздовж горизонтальної.

На щастя, це можна виконати одночасно. Більшість монокристалічних круглих елементів позначено хрестиком у центрі. Якщо натиснути в цій точці ножем з хрестоподібним наконечником, елемент розколеться на чотири акуратні частини.

Не страшно, якщо ви не потрапите точно по центру. Елемент розколеться, але не на рівні частини. Розміри осколків будуть визначатися точкою докладання зусиль, але всі вони будуть розколоті уздовж однакових площин.

Лінії відколу завжди паралельні один одному, і все перетину відбуваються під прямим кутом. Керуючись цими правилами, можна отримати елементи будь-яких необхідних розмірів.

Намагаючись в перший раз розколоти елемент, необхідно бути гранично обережним: не можна працювати на твердій поверхні. Докладаючи велике зусилля до елементу, який лежить на твердій плоскій поверхні, можна лише проробити в ньому отвір.

   

Рис. 6

Для створення механічної напруги необхідно, щоб елемент прогнувся. Я встановив, що пари аркушів паперу (можна газетного) достатньо при розколі елемента.

Розколоти таким чином можна тільки монокристалічні елементи. Нещодавно з’явилися полікристалічні елементи (wacker cells) розколоти симетрично не вдається. Якщо спробувати зробити це, сонячний елемент розлетиться на мільйон осколків.

Полікристалічний елемент легко відрізнити від монокристалів-вої. Монокристал в результаті обробки має рівну, гладку структуру поверхні. Полікристал виглядає як оцинкована сталь з її характерним видом поверхні.

   Пайка сонячних елементів

Після того як сонячні елементи підібрані для роботи, необхідно їх спаяти. Зазвичай в нашому розпорядженні є серійні сонячні елементи, забезпечені токос’емноє сітками і тильними контактами, які призначені для припаювання до них провідників.

При виготовленні контакти найчастіше покриваються припоєм, що містить невелику кількість срібла. Срібло оберігає жало паяльника від руйнування і можливої ​​адгезії тонких металевих контактів при пайку. Пам’ятайте, що токос’емноє сітки також крихкі, як металеві провідники друкованих плат.

Виготівники сонячних елементів зазвичай використовують особливі припой, флюс і провідники для з’єднань. Припій, що містить 2% срібла, завжди можна придбати в магазині. Замість каніфолі необхідно використовувати звичайний флюс на водній основі, щоб його легко можна було змити з поверхні елемента після пайки.

Найважче знайти плоский, стрічковий провідник, так як він рідко буває в продажу. Тим не менше можна виготовити щось схоже, якщо взяти мідний дріт і розплющити її кінець молотком. Замість неї можна використовувати мідну фольгу або просто тонку мідний дріт.

Сам процес пайки нескладний, але його необхідно виконувати швидко. Пластина кремнію є дуже гарним теплоотводом, і якщо торкатися паяльником елемента тривалий час, жало паяльника охолоне нижче температури плавлення припою.

Спочатку необхідно залудіть дріт, використовуючи трохи більшу кількість припою, ніж зазвичай, але не занадто. Сонячний елемент вже Залужжя при виготовленні.

Для роботи рекомендується використовувати паяльник потужністю 30 або 40 Вт Жало паяльника повинне бути чистим і прогрітим. Поки паяльник гріється, на елемент наноситься флюс і залуження дріт притискається до основи контакту елементу. Тепер торкаються гарячим паяльником до поверхні дроту. Необхідно, щоб з’єднання «обволокла» розплавленим припоєм і забезпечився надійний контакт дроту з елементом. Пайка виконується за один дотик: працювати треба швидко, але акуратно.

Тильний контакт припаюється аналогічно. Для отримання послідовної ланцюжка елементів лицьовій контакт першого елемента з’єднується дротом з тильним контактом другого. Потім

іншим відрізком дроту з’єднують лицьовій контакт другого з тильним третього і т. д.

Лицьової контакт є негативним електродом, в той час як тильний – позитивним.

Іншим широко поширеним способом є з’єднання елементів за типом черепичного даху. Якщо ви коли-небудь бачили черепичний дах, ви вже зрозуміли ідею.

   

Рис. 7

Лицьової контакт одного елемента накривається зверху тильним контактом іншого. Місце торкання прогрівається паяльником, і таким чином два елементи з’єднуються один з одним. Таке з’єднання показано на рис. 7.

Необхідна набрати на жало деякий надмірна кількість припою, щоб надійно спаяти елементи. Будьте обережні і не перегрів елемент, інакше контакту взагалі не буде.

Таким способом краще паяти невеликі елементи, у яких можна одночасно прогріти всю область контакту. Найкраще користуватися спеціальним прямокутним наконечником для паяльника, призначеним для випайки інтегральних мікросхем із друкованих плат. Рівномірні нагрів і тиск з’являться запорукою успіху.

   Захист батареї

Тепер, коли батарея зібрана, необхідно оберегти її від механічних пошкоджень і впливу погодних умов.

Найкраще помістити елементи лицьовою поверхнею на чистий аркуш скла або оргскла. Переважно використовувати захисне скло, потім, в порядку убування захисних властивостей, йдуть зміцнене віконне скло, акриловий пластик і звичайне віконне скло. Прозоре покриття оберігає батарею від механічних пошкоджень при ударах і скручуванні, вигинах. Але воно погано захищає від вологи.

Як відомо, кремній злегка гігроскопічний; це означає, що він вбирає зовсім небагато води. Однак після тривалого періоду часу спостерігається поступове зниження вихідних характеристик елемента, обумовлене впливом вологості. Таким чином, термін служби батареї безпосередньо залежить від якості вла-гоізоляціі.

Вологоізоляцію можна забезпечити багатьма способами. Згідно з одним із них тильну сторону можна залити рідкою гумою. Для цього необхідно зробити рамку по периметру захисного скла, щоб рідкий полімер не перелився через край. Крім того, міцна рамка добре охороняє захисне скло від бокового удару.

Згідно з іншим методом, тильну сторону батареї покривають товстим аркушем майларовой пластика і нагрівають всю батарею, наприклад за допомогою лампи розжарювання, до розплавлення майлара і його зчеплення з передньою захисною кришкою. Ця операція вимагає певного навику, особливо у випадку великих батарей. Задню майларовой кришку можна просто приклеїти. Часто згадана операція простіше нагріву, але при цьому погіршуються ізоляційні властивості.

Нарешті, тильну сторону елементів батареї можна покрити декількома шарами латексу. Це виглядає не так естетично, але забезпечує досить хороші влагоізоляціонние властивості.

Останнім способом по порядку, але не за значущістю є виготовлення вологонепроникною герметично ізольованою коробки для елементів. Це дорого, але забезпечує необхідну вологоізоляцію.

Можна було б довго продовжувати розповідь про те, як користуватися сонячними елементами. Але чому б читачеві не перегорнути сторінку і не дізнатися це самому?

Використовувати сонячні елементи можна так само, як будь-який інший джерело живлення. Кожен з них призначений для підтримки певної сили струму при заданій напрузі. Тим не менше на відміну від звичайних джерел живлення вихідні характеристики сонячного елемента залежать від кількості падаючого світла. Наприклад, набігло хмара може знизити вихідну потужність більше ніж на 50%.

Більш того, не всі елементи видають однакову потужність при однакових умовах освітленості, навіть якщо елементи ідентичні за розмірами і конструкції. Відхилення у технологічних режимах можуть спричинити за собою помітний розкид вихідних струмів елементів однієї партії. Ці фактори необхідно враховувати при розробці та виготовленні конструкцій з сонячними елементами.

Отже, якщо бажають забезпечити максимальну віддачу від фотоелектричних перетворювачів, необхідно перевірити всі елементи. Щоб краще зрозуміти, які параметри підлягають перевірці, спочатку розглянемо характеристики кремнієвого сонячного елемента.

   
Література: Байєрс Т. 20 конструкцій з сонячними елементами: Пер. з англ. – М.: Мир, 1988 рік.