Parameter einer Solarzelle und Eigenschaften eines PV-Panels

Parameter und Eigenschaften einer Photovoltaikzelle

Was genau ist eine Photovoltaikzelle?

Eine Solarzelle ist ein Halbleiterbauelement, das Sonnenstrahlung in Elektrizität umwandeln kann. Seine Fähigkeit, Sonnenlicht ohne Zwischenwandlung in Strom umzuwandeln, macht es einzigartig, die verfügbare Sonnenenergie in nutzbaren Strom umzuwandeln. Deshalb werden sie Solar-Photovoltaik-Zellen genannt. Abb. 1 zeigt eine typische Solarzelle.

Verschiedene Faktoren bestimmen die von einer Solarzelle erzeugte Elektrizität, wie zum Beispiel;

• Die Intensität des Lichts:Je mehr Sonnenlicht auf die Zelle fällt, desto mehr Strom wird von der Zelle erzeugt.
• Zellenfläche:Durch die Vergrößerung der Zellenfläche erhöht sich auch der von der Zelle erzeugte Strom.
• Der Einfallswinkel:Fällt das Licht senkrecht auf die Zelle, ist die von ihr erzeugte Leistung optimal. Idealerweise sollte der Winkel 90 ^o betragen aber praktisch sollte es so nah wie 90 ^o sein .

Die Solarzelle ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen. Einer ist positiv (Anode) und der andere ist negativ (Kathode). Eine Solarzellenanordnung ist als Solarmodul oder Solarpanel bekannt, während eine Solarpanelanordnung als Photovoltaik-Array bekannt ist.

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Funktionsweise einer Solarzelle

Das Sonnenlicht ist eine Gruppe von Photonen mit endlicher Energiemenge. Für die Stromerzeugung durch die Zelle muss diese die Energie des Photons aufnehmen. Die Absorption hängt von der Energie des Photons und der Bandlückenenergie des Solarhalbleitermaterials ab und wird in Elektronenvolt (eV) ausgedrückt.

Die Photonen werden vom Halbleitermaterial absorbiert, was zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren führt, wobei Elektronen negative Ladung und Löcher positive Ladung sind. Beim Zuschalten einer Last kommt es am Übergang zu einer Trennung von Elektronen und Löchern, die Löcher wandern zur Anodenseite und die Elektronen zur Kathodenseite.

So erzeugt die Trennung dieser beiden Ladungen eine elektrische Potentialdifferenz und wir erhalten eine Spannung über dem Anschluss der Zelle. Diese Spannung wird verwendet, um den Strom in der Schaltung zu treiben.

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Solarzellenparameter

Die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom wird durch verschiedene Parameter einer Solarzelle bestimmt. Um diese Parameter zu verstehen, müssen wir uns die I-V-Kurve ansehen, wie in Abbildung 2 unten gezeigt. Die Kurve wurde basierend auf den Daten in Tabelle 1 gezeichnet.

Tabelle 1

Ampere	Volt	Watt
0	VOC =11,4	0
0,2	11.06	2.21
0,4	10,59	4.24
0,5	10.24	5.12
0,6	9.54	5,72
0,61	9,39	5,73
IM =0,62	VM =9,27	PM =5,75
0,63	9.08	5,72
0,64	8,72	5,58
ISC =0,65	0	0

Die Zellparameter werden von den Herstellern im STC (Standard Test Condition) angegeben. Unter STC beträgt die entsprechende Sonneneinstrahlung 1000 W/m ² und die Betriebstemperatur der Zelle gleich 25° ist C. Die Solarzellenparameter sind wie folgt;

Kurzschlussstrom (I_SC ):

Kurzschlussstrom ist der maximale Strom, der von der Solarzelle erzeugt wird, er wird in Ampere (A) oder Milliampere (mA) gemessen. Wie aus Tabelle 1 und Abbildung 2 ersichtlich ist, ist die Leerlaufspannung Null, wenn die Zelle maximalen Strom (I_SC =0,65 A).

Der Kurzschlusswert hängt von der Zellfläche, der auf die Zelle fallenden Sonneneinstrahlung, der Zelltechnologie usw. ab. Manchmal geben die Hersteller die Stromdichte anstelle des Stromwerts an. Die Stromdichte wird mit „J“ und die Kurzschlussstromdichte mit „J_SC bezeichnet “. Die Kurzschlussstromdichte erhält man, indem man den Kurzschlussstrom wie folgt durch die Fläche der Solarzellen dividiert:

J_SC =I_SC / A

Nehmen wir ein Beispiel, eine Solarzelle hat eine Stromdichte von 40 mA/cm ² bei STC und einer Fläche von 200 cm ² . Dann kann der Kurzschlussstrom wie folgt ermittelt werden;

I_SC =Jsc × Fläche =40 mA/cm ² × 200 cm ² =8000 mA =8 A

Leerlaufspannung (V_OC ):

Leerlaufspannung ist die maximale Spannung, die die Zelle im Leerlauf erzeugen kann. Sie wird in Volt (V) oder Millivolt (mV) gemessen. Wie aus Tabelle 1 und Abbildung 2 ersichtlich ist, ist der Kurzschlussstrom gleich Null, wenn die Zelle maximale Spannung erzeugt. Der Wert von V_OC hängt von der Zelltechnologie und der Betriebstemperatur der Zelle ab.

Maximaler Power Point (P_M ):

Maximaler Leistungspunkt stellt die maximale Leistung dar, die eine Solarzelle am STC erzeugen kann (d. h. Sonneneinstrahlung von 1000 W/m ² und Zellbetriebstemperatur von 25°o C). Sie wird in W_Peak gemessen oder einfach W_P . Anders als STC hat die Solarzelle P_M bei unterschiedlichen Strahlungswerten und Zellbetriebstemperaturen.

Die Zelle kann mit verschiedenen Strom- und Spannungskombinationen betrieben werden. Aber es kann nur die maximale Leistung P_M erzeugen bei einer bestimmten Spannungs- und Stromkombination. Wie in Abbildung 2 gezeigt, befindet sich der maximale Leistungspunkt am Knie der I-V-Kurve und ist das Produkt von I_M und V

P_M =Ich_M × V_M =0,62 × 9,27 =5,75 W_P

Strom am maximalen Leistungspunkt (I_M ):

Er stellt den Strom dar, den die Solarzelle erzeugt, wenn sie mit maximaler Powerpoint betrieben wird. Es wird mit I_M bezeichnet und man sieht in Bild 2, dass sein Wert immer kleiner ist als der Kurzschlussstrom (I_SC ). Er wird in Ampere (A) oder Milliampere (mA) gemessen.

Die Spannung am maximalen Leistungspunkt (V_M ):

Sie stellt die Spannung dar, die die Solarzelle erzeugt, wenn sie mit dem maximalen PowerPoint betrieben wird. Es wird mit V_M bezeichnet und in Abbildung 2 zu sehen, dass ihr Wert immer kleiner als die Leerlaufspannung (V_OC ist ). Sie wird in Volt (V) oder Millivolt (mV) gemessen.

Füllfaktor (FF):

Er stellt den Bereich dar, der von I_M abgedeckt wird – V_M Rechteck mit der von I_SC abgedeckten Fläche – V_OC Rechteck wie in Abbildung 2 gepunktet dargestellt. Der Füllfaktor repräsentiert die Rechteckigkeit der I – V Kurve. Er wird in Prozent (%) dargestellt, je höher der Füllfaktor in Prozent, desto besser ist die Zelle.

FF =P_M / (I_SC ×V_OC )

Basierend auf den Daten in Tabelle 1 und Abbildung 2 können wir den Füllfaktor wie folgt bestimmen;

FF =[5,75 / (0,65 × 11,4)] × 100 =77,59 %

Angegeben in Prozent durch Multiplikation mit 100.

Effizienz (ƞ):

• Ein Solarzellenwirkungsgrad ist definiert als die maximale Ausgangsleistung (P_M ) dividiert durch die Eingangsleistung (P_IN ). Sie wird in Prozent (%) gemessen, was anzeigt, dass dieser Prozentsatz der zugeführten Sonnenlichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Eingangsleistung ist die Leistungsdichte. Um die Effizienz zu berechnen, multiplizieren Sie daher P_IN bei STC nach Bereich. Der Wirkungsgrad kann wie folgt berechnet werden:

ƞ =P_M / (P_IN × Fläche)

Wenn die gegebene Fläche der Zelle 0,01 m beträgt ² , P_M =5,75 W_P dann kann die Effizienz bei Standardtestbedingungen angegeben werden als;

ƞ =[5,75 W_P / (1000 W/m ² × 0,01 m ² )] =57,5 ​​%

Angegeben in Prozent durch Multiplikation mit 100.

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Photovoltaiktechnologien

Eine Vielzahl von Solarzellen ist auf dem Markt erhältlich, der Name der Solarzellentechnologie hängt von dem in dieser Technologie verwendeten Material ab. Daher haben unterschiedliche Zellen unterschiedliche Zellparameter wie Kurzschlussstromdichte, Wirkungsgrad, Leerlaufspannung, Füllfaktor usw. Die folgende Tabelle 2 zeigt die Liste der kommerziell erhältlichen Zellen und deren Parameter-Wertebereich.

Tabelle 2

Zelltyp	Effizienz (%)	Leerlaufspannung (V)	Stromdichte (mA/cm 2 )	Zellfläche (cm 2 )	Füllfaktor (FF)
Monokristallines Silizium	14 – 17	0,55 – 0,68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
Multikristallines Silizium	14 – 16	0,55 – 0,65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
Amorphes Si	6 – 9	0,70 – 1,1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Cadmiumtellurid	8 – 11	0,80 – 1,0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Kupfer-Indium-Gallium-Selenid	8 – 11	0,50 – 0,7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Galliumarsenid	30 – 35	1,0 – 2,5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

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Faktoren, die die von Solarzellen erzeugte Energie beeinflussen

Conversion-Effizienz (ƞ):

Nicht das gesamte auf die Solarzelle fallende Licht wird in elektrische Energie umgewandelt. Die Umwandlungseffizienz wird als das Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur zugeführten Lichtenergie bezeichnet. Wir können die Effizienz der Zelle aufgrund des Herstellungsprozesses und des darin verwendeten Materials nicht ändern und ihr Wert bleibt fest.

Maximale Leistung der Solarzelle P_M hängt von der Spannung ab, die es über dem Zellenanschluss entwickelt, und dem Strom, den es liefern kann. Die Zellenfläche ist einer der wichtigen Faktoren, die die von der Zelle entwickelte Ausgangsleistung beeinflussen. Der Wert der Ausgangsleistung kann für eine gegebene Eingangsleistung in (W/m ² ) bestimmt werden ), die Umwandlungseffizienz der Zelle in (%) und die Fläche der Zelle in (m ² ).

Der Solarzellenwirkungsgrad wird unter STC und der Eingangsleistung (P_IN) angegeben ) wird als 1000 W/m ² angenommen . Somit können wir unter Verwendung der unten angegebenen Formel die Ausgangsleistung bestimmen, die für verschiedene Wirkungsgrade erzeugt wird.

P_M =(P_IN × Fläche) × ƞ

Nehmen wir an, wir müssen die Ausgangsleistung bei STC mit Wirkungsgraden von 30 % und 25 % und einer Fläche von 0,01 m ² berechnen . Somit erhalten wir für 30 % Effizienz:

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,30 =3 W_P

Und für 25 % Effizienz bekommen wir;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

Menge des Eingangslichts:

Die Intensität des auf die Zelle fallenden Lichts ändert sich im Laufe des Tages. Je nach Lichteinfall auf die Zelle ändern sich Strom und Spannung der Zelle. Der von der Zelle erzeugte Strom ist direkt abhängig vom einfallenden Licht.

Von morgens bis nachmittags nimmt das auf die Zelle fallende Licht zu, daher steigt auch der von der Zelle erzeugte Strom. Vom Nachmittag bis zum Sonnenuntergang nimmt das auf die Zelle fallende Licht ab, daher nimmt auch der von der Zelle erzeugte Strom ab. Es gibt keine größeren Schwankungen in der Ausgangsspannung der Zelle, da sie nicht durch Schwankungen im Sonnenlicht beeinflusst wird.

Nehmen wir an, wir müssen die Ausgangsleistung für eine Zelle mit einer Fläche von 0,01 m ² berechnen für eine Eingangsleistung von 1000 W/m ² und 800 W/m ² mit einem Wirkungsgrad von 25 %. Also für eine Eingangsleistung von 1000 W/m ² wir erhalten die Ausgangsleistung wie folgt;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

Und für eine Eingangsleistung von 800 W/m ² ;

P_M =(800 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2 W_P

Wie wir sehen können, gibt es eine Abnahme der Ausgangsleistung aufgrund einer Abnahme der Eingangsleistung. Somit ist die von der Zelle erzeugte Energiemenge proportional zum Sonnenlicht.

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Zellenbereich:

Der Kurzschlussstrom der Solarzelle hängt von der Fläche der Zelle ab. Der Ausgangsstrom ist direkt proportional zur Zellfläche. Je größer die Zellfläche ist, desto größer ist auch die erzeugte Strommenge und umgekehrt. Zum Beispiel 200 cm ² Fläche erzeugt 2 A Strom und 200 cm ² erzeugt 4 A Strom für die gleiche Bestrahlungsstärke von 1000 W/m ² .

Wie wir zuvor gesehen haben, erhält man die Stromdichte, indem man den Strom durch die Fläche der Zelle dividiert. Die Stromdichte (J_SC ) ist für eine bestimmte Sonnenintensität festgelegt und hängt nicht von der Umgebung ab. Nehmen wir ein Beispiel, bei dem wir den Ausgangsstrom einer Solarzelle mit einer Fläche von 20 cm ² berechnen müssen und 50 cm ² .

Mit einer konstanten Stromdichte von 35 mA/m ² . Der Ausgangsstrom für 20 cm ² kann wie folgt berechnet werden:

I_SC =J_SC × Fläche =35 mA/m ² × 20 cm ² =0,70 A

Der Ausgangsstrom für 50 cm ² kann wie folgt berechnet werden:

I_SC =J_SC × Fläche =35 mA/m ² × 50 cm ² =1,75 A

Daher ist aus der obigen Berechnung klar, dass je größer die Zellenfläche ist, desto höher der Stromwert und je kleiner die Zellenfläche, desto niedriger der Stromwert.

Der Lichtwinkel (θ):

Die Solarzelle erzeugt die maximale Ausgangsleistung für ein gegebenes Sonnenlicht, wenn der Winkel des Lichts und der Zelle senkrecht zueinander stehen (d. h. 90 ^o ), wie in Abbildung 3 gezeigt. Wenn der Winkel des Lichteinfalls kleiner oder größer als 90 ^o ist wie in Abbildung 3 gezeigt, als es eine Ausgangsleistung erzeugt, die niedriger ist als die maximale Ausgangsleistungsfähigkeit der Zelle.

Wenn das Licht in einem Winkel größer oder kleiner als 90 ^o einfällt ein Teil des Lichts wird reflektiert, und das Licht wird von der Zelle weniger genutzt als das tatsächlich auf sie fallende. Dies führt zu einer Verringerung der von der Zelle erzeugten Ausgangsleistung. Aus diesem Grund müssen wir die Solarzelle in einem Winkel senkrecht zum einfallenden Licht installieren, um maximal mögliche Elektrizität zu erzeugen.

Betriebstemperatur (T):

Die Hersteller geben die Zellspannung, den Strom und die Nennleistung beim STC mit einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m ² an und Temperatur von 25 ^o Aber in der Praxis variiert die Solarzellentemperatur aufgrund der Umgebungstemperatur und außerdem sind die Zellen in Glas eingeschlossen, wodurch die Temperatur der Solarzelle weiter ansteigt.

Diese Temperaturänderung beeinflusst die Spannung, Leistung und Effizienz der Zelle, der Anstieg der Zellentemperatur über den STC reduziert die Ausgabe dieser Parameter. Die Abnahme dieser Parameter ist für verschiedene auf dem Markt erhältliche Solarzellen unterschiedlich.

Nehmen wir ein Beispiel, um die Abnahme eines der Parameter (z. B. Spannung) zu verstehen. Eine Zelle hat bei STC eine Ausgangsspannung von 0,9 V. Die Betriebstemperatur der Zelle beträgt 50 ^o C. Die Ausgangsspannung der Zelle sinkt um 2,1 mV/ ^o C. was kann der neue Wert der Ausgangsspannung sein?

ΔT =T_tatsächlich – T_Standard =50 – 25 =25 ^o C

Die reduzierte Ausgangsspannung =Leerlaufspannung (V_OC ) bei STC – (Spannungsabfall – ΔT) =0,9 – (2,1 × 10 ^-3 ). × 25) =0,84 V

Aus obiger Berechnung lässt sich schließen, dass es zu einer Abnahme der Ausgangsspannung kommt, wenn die Temperatur über STC (also über 25 ^o C).

Fazit

Es ist der Entwicklung in der Halbleitertechnologie zu verdanken, dass wir reichlich Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln können. In diesem Artikel haben wir die Funktionsweise der Solarzelle, verschiedene Zelltypen und verschiedene Parameter wie Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom usw. untersucht, die uns helfen, die Eigenschaften der Zelle zu verstehen. Die Faktoren, die die von der Zelle erzeugte Leistung beeinflussen, wurden ebenfalls untersucht, einschließlich Leistungsumwandlungseffizienz, Menge des einfallenden Lichts, Zellfläche usw., die die Leistung beeinflussen und uns helfen, das Verhalten der Zelle in einem anderen Szenario zu verstehen. Mit dem Verständnis der Solarzellentechnologie können wir sie optimal nutzen, um unseren täglichen Energiebedarf zu decken.