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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Der Einsatz von Solarzellen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Willkommen in der Welt der Photovoltaik, der Welt des Stroms aus der Sonne. Wenn der Leser die Photovoltaik noch nicht kennengelernt hat, wird er diese Bekanntschaft wirklich genießen und dafür belohnt werden. Wir werden über die Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen von Silizium-Solarzellen sprechen. Unabhängig davon, wo das Gerät eingesetzt wird, sind Solarzellen ein integraler Bestandteil davon und für sich genommen interessant. Daher ist es wichtig, ihre Natur zu verstehen und zu lernen, wie man sie nutzt. In diesem Kapitel gibt es nichts Kompliziertes. Wir werden nur über Schrauben und Muttern reden. Grundprinzipien der Arbeit Das Funktionsprinzip einer Solarzelle ist recht einfach und lautet wie folgt. Bei Beleuchtung erzeugt eine Silizium-Solarzelle eine elektrische Spannung von 0,5 V. Unabhängig von Typ und Schaltung erzeugen alle (großen und kleinen) Silizium-Solarzellen eine Spannung von 0,5 V. Anders verhält es sich mit dem Ausgangsstrom des Elements. Sie hängt von der Lichtintensität und der Größe des Elements, also der Fläche, ab. Es ist klar, dass ein Element mit einer Fläche von 10 x 10 cm2 viermal größer ist als ein Element mit einer Fläche von 4 x 5 cm5 und daher viermal mehr Strom erzeugt. Die Stromstärke hängt auch von der Wellenlänge des Lichts und seiner Intensität ab und ist direkt proportional zur Intensität der Strahlung. Je heller das Licht, desto mehr Strom wird von der Solarzelle erzeugt. Erhöhung der Leistungscharakteristik von Solarzellen Solarzellen würden bei einem Betrieb innerhalb der genannten Parameter nur sehr selten zum Einsatz kommen. Nur in einigen Fällen ist eine so niedrige Spannung (0,5 V) mit willkürlichen Anforderungen an die aufgenommene Strommenge erforderlich.
Glücklicherweise gibt es hier keine Einschränkungen. Solarzellen können in Reihe oder parallel geschaltet werden, um die Leistungseigenschaften zu verbessern. Betrachten wir Solarzellen als gewöhnliche Batterien. Es ist bekannt, dass mehrere Batterien verwendet werden, um die Helligkeit einer Taschenlampe zu erhöhen. Im Wesentlichen erhöht die Reihenschaltung von Batterien die Gesamtspannung (Abbildung 1). Das Gleiche lässt sich auch mit Solarzellen machen. Durch Verbinden des Pluspols einer Zelle mit dem Minuspol einer anderen kann von zwei Zellen eine Spannung von 1 V erhalten werden. In ähnlicher Weise ergeben drei Zellen 1,5 V, vier - 2 V usw. Theoretisch ist dies die von der Solarenergie erzeugte Spannung In Reihe geschaltete Zellen können, sofern genügend davon vorhanden sind, Tausende von Volt erreichen! Leider hat die Reihenschaltung hinsichtlich der Erhöhung des Ausgangsstroms einen inhärenten Nachteil. Bei der Reihenschaltung von Batterien übersteigt der Ausgangsstrom nicht den Pegel des schlechtesten Elements im Stromkreis. Dies gilt für alle Energiequellen, egal ob es sich um eine Batterie, ein Netzteil oder Solarzellen handelt. Das bedeutet, dass für eine beliebige Anzahl von 2-Ampere-Solarzellen in einem Stromkreis eine 1-Ampere-Zelle den Gesamtausgangsstrom, d. h. 1 A, bestimmt. Wenn Sie also maximale Leistung anstreben, müssen die Ströme aller Elemente im Stromkreis gleich sein abgestimmt. Okay, die Spannung ist klar. Doch wie lässt sich der Ausgangsstrom einer Solarzelle erhöhen? Schließlich scheint die Sonne mit einer gewissen Helligkeit. Der Ausgangsstrom hängt von der Oberfläche des Elements ab, und daher besteht die natürliche Möglichkeit, den Strom zu erhöhen, darin, die Fläche des Elements (oder der Elemente) zu vergrößern. Elemente? Genau!
Nimmt man vier Elemente mit den Maßen jeweils 5x5 cm2 und verbindet sie parallel, wie in Abb. 2, dann können Sie das gleiche Ergebnis erzielen wie beim Ersetzen von vier Elementen durch eine Größe 10x10 cm2 (in beiden Fällen ist die Oberfläche gleich und beträgt 100 cm2). Es ist wichtig zu bedenken, dass bei einer Parallelschaltung nur der Strom steigt, nicht die Spannung. Unabhängig von der Anzahl der parallel geschalteten Elemente (4 oder 50) beträgt die erzeugte Spannung nicht mehr als 0,5 V. Photovoltaik-Batterien Sie können sich vorstellen, was besprochen wird. Um die Vorteile beider Verbindungsmethoden nutzen zu können, ist es tatsächlich möglich, die Reihen- und Parallelschaltung von Elementen zu kombinieren. Diese Kombination wird als Batterie bezeichnet. Die Batterien können in beliebiger Kombination angeordnet werden. Die einfachste Batterie ist eine Kette von in Reihe geschalteten Elementen. Sie können auch parallele Elementketten, einzelne Elemente in Ketten verbinden oder sie in einer beliebigen anderen Kombination kombinieren. In Abb. 3 zeigt nur drei Beispiele möglicher Kombinationen.
Unterschiede in der Art der Verbindungen der Elemente in Abb. 3 weisen zwar alle die gleichen Ausgangseigenschaften auf, unterliegen jedoch unterschiedlichen Zuverlässigkeitsanforderungen. In Abb. 3, und drei aufeinanderfolgende Elementketten sind parallel verbunden. Diese Methode wird verwendet, wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses einzelner Elemente besteht. In Abb. In Abb. 3, b zeigt ein Diagramm der Parallel-Reihenschaltung von Elementen. Bei einer solchen Verbindung führt der Ausfall eines der Elemente, beispielsweise durch Rissbildung, nicht zum Verlust der gesamten Kette durch Kettenbruch. Im letzten Beispiel (Abb. 3, c) werden beide Fälle mit einem Minimum an Verbindungen berücksichtigt. Andere Verbindungsarten sind möglich und ihre Auswahl sollte von den spezifischen Betriebsbedingungen Ihres Geräts abhängen. Eine wichtige Bedingung sollte beachtet werden. Unabhängig von Ihrer Fantasie müssen parallel geschaltete Elementketten in der Spannung zueinander passen. Sie können eine Kette aus 15 Elementen und eine kurze Kette aus 5 Elementen nicht parallel verbinden. Bei dieser Verbindung funktioniert die Batterie nicht. umgekehrte Vorspannung Beim Arbeiten mit Solarbatterien tritt in der Regel ein Phänomen auf, das bei der Verwendung herkömmlicher Stromquellen nicht auftritt. Dieses Phänomen ist mit der sogenannten Reverse Bias verbunden. Um zu verstehen, was es ist, schauen wir uns Abb. an. 4.
Diese Abbildung zeigt 8 in Reihe geschaltete Elemente. Die Gesamtausgangsspannung der Schaltung beträgt 4 V und der Widerstand RL ist als Last angeschlossen. So weit, ist es gut. Aber lassen Sie uns die Fotozelle D mit einem undurchsichtigen Gegenstand, beispielsweise unserer Hand, abdunkeln und sehen, was passiert. Sie denken wahrscheinlich, dass die Spannung auf 3,5 V sinken wird, oder? Nichts dergleichen! Eine Solarzelle, die keine elektrische Energie produziert, ist eine Verbindung mit hohem Innenwiderstand, kein Kurzschluss. Es passiert das Gleiche wie wenn ein Schalter geöffnet wird, der Schalter jedoch nicht vollständig geöffnet ist – es fließt ein kleiner Strom durch ihn. In den meisten Fällen beträgt der effektive Widerstand einer abgedunkelten Solarzelle ein Vielfaches des Wertes des Lastwiderstands RL. Daher kann man sich RL praktisch als ein Stück Draht vorstellen, der die negativen und positiven Anschlüsse verbindet. Dies bedeutet, dass die Ladefunktion nun von Element D übernommen wird. Was machen die anderen Elemente? Versorgen Sie diese Last mit Energie! Dadurch erwärmt sich Element D und kann bei ausreichender Erwärmung versagen (explodieren). Infolgedessen bleibt uns ein Serienakku mit einer leeren Zelle übrig – eine wenig beneidenswerte Situation.
Eine wirksame Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, Shunt-Dioden parallel zu allen Elementen zu schalten, wie in Abb. 5. Die Dioden sind so angeschlossen, dass sie im Betrieb der Solarzelle durch die Spannung der Zelle selbst in Sperrrichtung vorgespannt sind. Daher fließt kein Strom durch die Diode und die Batterie funktioniert normal. Nehmen wir nun an, dass eines der Elemente schattiert wird. In diesem Fall wird die Diode direkt vorgespannt und Strom fließt durch sie in die Last, wobei das fehlerhafte Element umgangen wird. Natürlich wird die Ausgangsspannung der gesamten Kette um 0,5 V sinken, aber die Quelle der selbstzerstörerischen Kraft wird eliminiert. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass der Akku weiterhin normal funktioniert. Ohne Bypass-Dioden würde es komplett ausfallen. In der Praxis ist es nicht praktikabel, jede Batteriezelle zu umgehen. Es ist notwendig, sich von wirtschaftlichen Überlegungen leiten zu lassen und Shunt-Dioden auf der Grundlage eines vernünftigen Kompromisses zwischen Zuverlässigkeit und Kosten zu verwenden. Normalerweise wird eine Diode verwendet, um 1/4 der Batterie zu schützen. Somit sind für die gesamte Batterie nur 4 Dioden erforderlich. In diesem Fall führt der Abschattungseffekt zu einer (durchaus akzeptablen) Reduzierung der Ausgangsleistung um 25 %. Elemente in Stücke schneiden Serienelemente passen nicht immer genau zu Ihrem Design. Obwohl sie versuchen, Ihnen so viel Auswahl wie möglich zu bieten, gibt es keine Möglichkeit, alle Bedürfnisse zu befriedigen. Glücklicherweise ist dies nicht erforderlich. Monokristalline Solarzellen können in jede gewünschte Form gebracht werden.
Sie sollten wissen, dass dies der Fall ist, da monokristalline Solarzellen aus einem großen Einkristall bestehen. Das Siliziumatom verfügt über vier Valenzelektronen und bildet ein kubisches Kristallgitter. In Abb. Abbildung 6 zeigt eine typische runde Solarzelle mit hervorgehobener Kornstruktur. Wenn man auf diese Struktur aus fest gebundenen Elektronen Kraft ausübt, entsteht entlang der Defektlinie ein Riss. Dies ist einem durch ein Erdbeben verursachten Riss sehr ähnlich. Die Kristallstruktur ist bekannt und somit kann die Richtung des Risses vorhergesagt werden. Wenn eine Kraft auf die in Abb. gezeigte Kante ausgeübt wird. 6 Platten am Punkt A, dann wird der Kristall durch die im Inneren wirkenden mechanischen Kräfte in zwei Hälften geteilt. Anstelle eines Elements gibt es nun zwei. Nehmen wir an, es ist notwendig, ein solches Element in vier identische Teile aufzuteilen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Kraft zuerst entlang der vertikalen Defektlinie und dann entlang der horizontalen angewendet wird. Glücklicherweise kann dies gleichzeitig erfolgen. Die meisten monokristallinen Rundelemente sind mit einem Kreuz in der Mitte gekennzeichnet. Wenn Sie an dieser Stelle mit einem Kreuzmesser drücken, spaltet sich das Element in vier saubere Stücke. Es ist in Ordnung, wenn Sie nicht genau die Mitte treffen. Das Element wird geteilt, jedoch nicht in gleiche Teile. Die Größe der Fragmente wird durch den Punkt bestimmt, an dem die Kraft ausgeübt wird, sie werden jedoch alle entlang identischer Ebenen gespalten. Die Spaltungslinien verlaufen immer parallel zueinander und alle Schnittpunkte erfolgen im rechten Winkel. Anhand dieser Regeln können Sie Elemente jeder gewünschten Größe erhalten. Wenn Sie zum ersten Mal versuchen, ein Element zu spalten, müssen Sie äußerst vorsichtig sein: Auf einer harten Oberfläche können Sie nicht arbeiten. Wenn man große Kraft auf ein Element ausübt, das auf einer harten, ebenen Oberfläche liegt, kann man nur ein Loch hineinbohren. Um mechanische Spannungen zu erzeugen, muss sich das Element biegen. Ich habe festgestellt, dass zum Teilen eines Elements ein paar Blätter Papier (z. B. Zeitung) ausreichen. Auf diese Weise können nur einkristalline Elemente gespalten werden. Die neu entstandenen polykristallinen Elemente (Wackerzellen) können nicht symmetrisch gespalten werden. Wenn Sie dies versuchen, wird die Solarzelle in eine Million Teile zerbrechen. Ein polykristallines Element lässt sich leicht von einem monokristallinen Element unterscheiden. Durch die Bearbeitung erhält der Einkristall eine gleichmäßige, glatte Oberflächenstruktur. Polykristallin sieht mit seiner charakteristischen Oberflächenoptik wie verzinkter Stahl aus. Löten von Solarzellen Nachdem die Solarzellen für den Betrieb ausgewählt wurden, müssen sie verlötet werden. In der Regel verfügen wir über serielle Solarzellen, die mit Stromsammelgittern und Rückkontakten ausgestattet sind, an denen Leiter angelötet werden können. Bei der Herstellung werden Kontakte meist mit Lot beschichtet, das eine geringe Menge Silber enthält. Silber schützt die Lötkolbenspitze vor Zerstörung und möglichem Anhaften dünner Metallkontakte beim Löten. Bedenken Sie, dass Stromabnehmer genauso zerbrechlich sind wie die Metallleiter auf Leiterplatten. Hersteller von Solarzellen verwenden in der Regel spezielles Lot, Flussmittel und Leiter für Verbindungen. Lot mit 2 % Silber kann jederzeit im Laden gekauft werden. Anstelle von Kolophonium muss ein normales Flussmittel auf Wasserbasis verwendet werden, damit es nach dem Löten leicht von der Oberfläche des Elements abgewaschen werden kann. Am schwersten zu finden ist ein flacher Bandleiter, da er selten im Angebot ist. Sie können jedoch etwas Ähnliches herstellen, indem Sie ein Stück Kupferdraht nehmen und das Ende mit einem Hammer glätten. Stattdessen können Sie Kupferfolie oder nur dünnen Kupferdraht verwenden. Der Lötvorgang selbst ist einfach, muss aber schnell erledigt werden. Der Siliziumwafer ist ein sehr guter Kühlkörper, und wenn Sie das Element längere Zeit mit einem Lötkolben berühren, kühlt die Lötkolbenspitze unter den Schmelzpunkt des Lots ab. Zuerst müssen Sie den Draht mit etwas mehr Lot als üblich verzinnen, aber nicht zu viel. Die Solarzelle wird bereits bei der Herstellung verzinnt. Für die Arbeit empfiehlt sich die Verwendung eines Lötkolbens mit einer Leistung von 30 oder 40 W. Die Lötkolbenspitze muss sauber und warm sein. Während der Lötkolben aufheizt, wird Flussmittel auf das Element aufgetragen und der verzinnte Draht gegen die Basis des Elementkontakts gedrückt. Berühren Sie nun die Oberfläche des Drahtes mit einem heißen Lötkolben. Es ist notwendig, dass die Verbindung mit geschmolzenem Lot „umhüllt“ wird und ein zuverlässiger Kontakt des Drahtes mit dem Element gewährleistet ist. Das Löten erfolgt mit einem Handgriff: Sie müssen schnell, aber sorgfältig arbeiten. Der hintere Kontakt wird auf die gleiche Weise verlötet. Um eine sequentielle Kette von Elementen zu erhalten, wird der vordere Kontakt des ersten Elements über einen Draht mit dem hinteren Kontakt des zweiten Elements verbunden. Dann verbindet ein weiteres Stück Draht den vorderen Kontakt des zweiten mit der Rückseite des dritten usw. Der vordere Kontakt ist die negative Elektrode, während der hintere Kontakt die positive Elektrode ist. Eine weitere weit verbreitete Methode ist die Verbindung von Elementen wie bei einem Ziegeldach. Wenn Sie jemals ein Ziegeldach gesehen haben, haben Sie bereits eine Vorstellung davon. Der vordere Kontakt des einen Elements wird oben vom hinteren Kontakt des anderen abgedeckt. Mit einem Lötkolben wird die Kontaktstelle erhitzt und so die beiden Elemente miteinander verbunden. Eine solche Verbindung ist in Abb. dargestellt. 7.
Um die Elemente zuverlässig zu verlöten, ist es notwendig, etwas überschüssiges Lot auf die Spitze aufzutragen. Achten Sie darauf, das Element nicht zu überhitzen, da sonst überhaupt kein Kontakt besteht. Auf diese Weise ist es besser, kleine Elemente zu löten, bei denen gleichzeitig die gesamte Kontaktfläche erhitzt werden kann. Verwenden Sie am besten eine spezielle rechteckige Lötkolbenspitze, die zum Entlöten integrierter Schaltkreise von Leiterplatten entwickelt wurde. Gleichmäßige Erwärmung und Druck sind der Schlüssel zum Erfolg. Batterieschutz Nachdem die Batterie nun zusammengebaut ist, muss sie vor mechanischer Beschädigung und Witterungseinflüssen geschützt werden. Am besten legen Sie die Elemente mit der Vorderseite auf eine saubere Glas- oder Plexiglasscheibe. Vorzugsweise wird Sicherheitsglas verwendet, dann gibt es in absteigender Reihenfolge der Schutzeigenschaften gehärtetes Fensterglas, Acrylglas und normales Fensterglas. Die transparente Beschichtung schützt den Akku vor mechanischer Beschädigung durch Stöße, Verdrehen und Biegen. Aber es schützt nicht gut vor Feuchtigkeit. Bekanntermaßen ist Silizium leicht hygroskopisch; das bedeutet, dass es nur sehr wenig Wasser aufnimmt. Nach längerer Zeit ist jedoch aufgrund des Einflusses der Luftfeuchtigkeit eine allmähliche Verschlechterung der Leistungseigenschaften des Elements zu beobachten. Somit hängt die Batterielebensdauer direkt von der Qualität der Feuchtigkeitsisolierung ab. Die Feuchtigkeitsisolierung kann auf viele Arten erreicht werden. Einer von ihnen zufolge kann die Rückseite mit Flüssigkautschuk gefüllt werden. Dazu ist es notwendig, um den Umfang des Schutzglases einen Rahmen anzubringen, damit das flüssige Polymer nicht überläuft. Darüber hinaus schützt der robuste Rahmen das Schutzglas gut vor seitlichen Stößen. Eine andere Methode besteht darin, die Rückseite der Batterie mit einer dicken Folie aus Mylar-Kunststoff abzudecken und die gesamte Batterie zu erhitzen, beispielsweise mit einer Glühlampe, bis das Mylar schmilzt und an der vorderen Schutzabdeckung haftet. Dieser Vorgang erfordert einiges Geschick, insbesondere bei großen Batterien. Die Mylar-Rückseite kann einfach aufgeklebt werden. Oft ist der genannte Vorgang einfacher als das Erhitzen, aber die Isoliereigenschaften verschlechtern sich. Abschließend kann die Rückseite der Batteriezellen mit mehreren Schichten Latex beschichtet werden. Dies sieht nicht so ästhetisch aus, bietet aber recht gute feuchtigkeitsbeständige Eigenschaften. Die letzte Methode, aber nicht zuletzt, besteht darin, eine wasserdichte, hermetisch dichte Box für die Elemente herzustellen. Es ist teuer, bietet aber die nötige Feuchtigkeitsisolierung. Autor: Byers T.
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