Основным компонентом фотоэлектрического массива является солнечный элемент. Солнечные элементы изготавливаются с использованием полупроводниковых материалов, которые при воздействии на них света производят электрический заряд. Полупроводники требуют определенного количества энергии, называемой энергией запрещенной зоны, для высвобождения электронов, участвующих в проводимости электрического заряда через p-n переход в полупроводнике. Правильно спроектированная структура p-n перехода в полупроводнике может привести к разделению этих зарядов для создания источника напряжения. Наиболее часто используемым полупроводником в солнечных элементах является кремний, который может находиться в форме монокристаллического, поликристаллического или аморфного. В таблице 1 показана эффективность преобразования энергии этих форм кремниевых солнечных элементов.
Таблица 1. Сравнение эффективности кремниевых солнечных элементов
Типичный кремниевый солнечный элемент создает напряжение около 0,7 В. Для достижения необходимых уровней напряжения и тока солнечные элементы обычно соединены последовательно и/или параллельно с образованием фотоэлектрических модулей, которые создают более высокие напряжения в диапазоне от 16 В до 36 В. Для создания больших количеств напряжения (кВ) и тока (кА) для практических применений модули объединяются последовательно и параллельно, чтобы сформировать фотоэлектрические массивы, как показано на рис. 1.
Обычно используемый на практике солнечный элемент включает в себя последовательность элементов и шунтирующее сопротивление для моделирования нелинейного поведения солнечного элемента, показан на рис. 2.
Схема с шунтирующим сопротивлением более точна, но она требует более сложных расчётов. Для изучения основ принципа работы солнечной батареи вполне подойдёт упрощённая схема с четырьмя параметрами.
Для такой схемы уравнение зависимости тока от напряжения будет следующим:
где IPH - фототок, генерируемый одной солнечной ячейкой, А;
I0– обратный ток насыщения диода, А;
NС- количество солнечных ячеек, подключенных последовательно в солнечном модуле;
α– коэффициент идеальности диода;
UТ – термическое напряжение диода, В.
где
G– величина солнечного излучения, Вт/м2;
ki– температурный коэффициент при токе КЗ, %/°С;
T- температура, К;
Eg– величина энергетической зоны фотоэлемента, эВ;
αref, IPHref – расчётная величины;
Grefи Tref - параметры излучения и температуры, при которых производятся измерения данных солнечного модуля (обычно Tref = 25 °C, Gref = 1000 Вт/м2);
q–заряд электрона, 1,602∙10-19 Кл;
k– постоянная Больцмана, 1,38∙10-23 J/K.
К паспортным параметрам солнечного модуля относятся:
Uoc- напряжение ХХ, В;
Um- напряжение при максимальной мощности, В;
Isc- ток КЗ, А;
Im- ток при максимальной мощности, А;
ki- температурный коэффициент при токе КЗ, %/°С;
kv- температурный коэффициент при напряжении ХХ, %/°С.
Из паспортных данных можно вычислить следующие параметры:
Связь между током и напряжением фотоэлемента показана на рис. 3. Кривая тока и напряжения колеблется от тока короткого замыкания (Iкз ÷ 0) до напряжения разомкнутой цепи (0 ÷ Uраз) с точкой (Iмакс, Uмакс), определяемой как максимальная точка мощности, где фотоэлектрический массив генерирует максимальную электрическую мощность Pмакс.
Модель солнечных элементов показанная на рис. 4, используется с допущением, что эффект шунтирующего сопротивления пренебрежимо мал (RSH > 1000 Ом). Входы в фотоэлектрической модели - облучение поверхности солнечным светом (Вт/м2) и температура (°C), а выходы представляют собой положительное и отрицательное напряжения постоянного тока U+ и U–.
Так как, интенсивность солнечного излучения – величина не постоянная, то она может изменяется как в течении дня, так и года, также изменение солнечного излучения хаотически изменяется при переменах погодных условий. Также можно выделить следующие зависимости солнечного излучения: безоблачное голубое небо – 1000 Вт/м2; солнце пробивается сквозь тучи – 600 Вт/м2; солнце затуманилось – 300 Вт/м2; хмурый зимний день – 100 Вт/м2. Пример зависимости солнечного излучения в течении дня представлен на рис. 5.
На рис. 6 и рис. 7 показаны кривые I–U и P–U параметров солнечной батареи для значений солнечного облучения от 200 Вт/м2 до 1000 Вт/м2. Кривые указывают максимальную точку мощности для каждого условия облучения.