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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Utilizzo delle celle solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Benvenuti nel mondo del fotovoltaico, il mondo dell'elettricità generata dal sole. Se il lettore non ha ancora familiarità con il fotovoltaico, questa conoscenza si divertirà davvero e sarà ricompensato. Parleremo degli usi e delle applicazioni delle celle solari al silicio. Indipendentemente da dove verrà utilizzato il dispositivo, le celle solari ne sono parte integrante e sono di per sé interessanti. Pertanto è importante comprenderne la natura e imparare ad utilizzarli. Non c'è nulla di complicato in questo capitolo. Parleremo solo di dadi e bulloni. Principi di base del lavoro Il principio di funzionamento di una cella solare è abbastanza semplice ed è il seguente. Quando è illuminata, una cella solare al silicio genera una tensione elettrica di 0,5 V. Indipendentemente dal tipo e dal circuito, tutte le celle solari al silicio (grandi e piccole) generano una tensione di 0,5 V. La situazione è diversa con la corrente di uscita dell'elemento. Dipende dall'intensità della luce e dalla dimensione dell'elemento, che si riferisce alla superficie. È chiaro che un elemento con un'area di 10x10 cm2 è 4 volte più grande di un elemento con un'area di 5x5 cm2, quindi produce 4 volte più corrente. L'intensità della corrente dipende anche dalla lunghezza d'onda della luce e dalla sua intensità, ed è direttamente proporzionale all'intensità della radiazione. Quanto più intensa è la luce, tanto maggiore è la corrente generata dalla cella solare. Aumentare le caratteristiche di uscita delle celle solari Le celle solari verrebbero utilizzate molto raramente se gestite entro i parametri menzionati. Solo in alcuni casi è richiesta una tensione così bassa (0,5 V) con requisiti arbitrari per la quantità di corrente consumata.
Fortunatamente, qui non ci sono restrizioni. Le celle solari possono essere collegate in serie o in parallelo per aumentare le caratteristiche di uscita. Consideriamo le celle solari come normali batterie. È noto che per aumentare la luminosità di una torcia vengono utilizzate più batterie. In sostanza, collegando le batterie in serie si aumenta la tensione totale (Figura 1). Lo stesso si può fare con le celle solari. Collegando il terminale positivo di una cella al terminale negativo di un'altra, da due celle si può ottenere una tensione di 1 V. Allo stesso modo, tre celle daranno 1,5 V, quattro - 2 V, ecc. le celle collegate in serie, purché ce ne siano abbastanza, possono raggiungere migliaia di volt! Sfortunatamente, in termini di aumento della corrente di uscita, il collegamento in serie presenta uno svantaggio intrinseco. Quando si collegano le batterie in serie, la corrente di uscita non supera il livello caratteristico dell'elemento peggiore nel circuito. Questo vale per tutte le fonti di energia, siano esse una batteria, un alimentatore o celle solari. Ciò significa che per qualsiasi numero di celle solari da 2 A in un circuito, una cella da 1 A determinerà la corrente di uscita totale, ovvero 1 A. Pertanto, se si punta alla massima prestazione, le correnti di tutti gli elementi del circuito devono essere abbinato. Ok, la tensione è chiara. Ma come aumentare la corrente di uscita di una cella solare? Dopotutto, il sole splende con una certa luminosità. La corrente in uscita dipende dalla superficie dell'elemento, quindi il modo naturale per aumentare la corrente è aumentare l'area dell'elemento (o degli elementi). Elementi? Esattamente!
Se prendiamo quattro elementi di 5x5 cm2 ciascuno e li colleghiamo in parallelo, come mostrato in Fig. 2, allora si può ottenere lo stesso risultato che si ottiene sostituendo quattro elementi con un unico formato 10x10 cm2 (in entrambi i casi la superficie è la stessa ed è pari a 100 cm2). È importante ricordare che con un collegamento in parallelo aumenta solo la corrente e non la tensione. Indipendentemente dal numero di elementi collegati in parallelo (4 o 50), la tensione generata non sarà superiore a 0,5 V. Batterie fotovoltaiche Puoi indovinare di cosa si parlerà. Infatti, per sfruttare entrambe le modalità di connessione, è possibile combinare il collegamento in serie e in parallelo degli elementi. Questa combinazione è chiamata batteria. Le batterie possono essere disposte in qualsiasi combinazione desiderata. La batteria più semplice è una catena di elementi collegati in serie. Puoi anche collegare catene parallele di elementi, singoli elementi in catene o combinarli in qualsiasi altra combinazione. Nella fig. 3 mostra solo tre esempi di possibili combinazioni.
Differenze nella natura delle connessioni degli elementi in Fig. 3, pur avendo tutti le stesse caratteristiche di uscita, sono dettate da diverse esigenze di affidabilità. Nella fig. 3, e tre catene consecutive di elementi sono collegate in parallelo. Questo metodo viene utilizzato quando esiste un'alta probabilità di cortocircuitare singoli elementi. Nella fig. 3, b mostra uno schema di collegamento in serie parallela degli elementi. Con tale connessione, il cedimento di uno degli elementi, ad esempio, a causa della comparsa di una crepa, non porta alla perdita dell'intera catena a causa della rottura della catena. Nell'ultimo esempio (Fig. 3, c) vengono presi in considerazione entrambi i casi con un minimo di connessioni. Sono possibili altri tipi di connessioni e la loro selezione dovrebbe essere determinata dalle condizioni operative specifiche del dispositivo. Una condizione importante dovrebbe essere ricordata. Indipendentemente dal tuo volo di fantasia, le catene di elementi collegate in parallelo devono corrispondere tra loro in tensione. Non è possibile collegare in parallelo una catena di 15 elementi e una catena corta di 5 elementi. Con questo collegamento la batteria non funzionerà. polarizzazione inversa Quando si lavora con le batterie solari, di norma, si riscontra un fenomeno che non si verifica quando si utilizzano fonti di energia convenzionali. Questo fenomeno è associato al cosiddetto reverse bias. Per capire di cosa si tratta, guardiamo la Fig. 4.
Questa figura mostra 8 elementi collegati in serie. La tensione di uscita totale del circuito è 4 V e il resistore RL è collegato come carico. Fin qui tutto bene. Ma oscuriamo la fotocellula D con un oggetto opaco, come la nostra mano, e vediamo cosa succede. Probabilmente pensi che la tensione scenderà a 3,5 V, giusto? Niente del genere! Una cella solare che non produce energia elettrica è un collegamento con elevata resistenza interna, non un cortocircuito. Succede la stessa cosa di quando si apre un interruttore, ma l'interruttore non è completamente aperto: una piccola corrente lo attraversa. Nella maggior parte dei casi, la resistenza effettiva di una cella solare oscurata è molte volte il valore della resistenza di carico RL. Pertanto, puoi praticamente pensare a RL come a un pezzo di filo che collega i terminali negativo e positivo. Ciò significa che la funzione di carico è ora eseguita dall'elemento D. Cosa fanno gli altri elementi? Fornisci energia a questo carico! Di conseguenza, l'elemento D si riscalda e, se riscaldato sufficientemente, può guastarsi (esplodere). Di conseguenza, ci ritroviamo con una batteria di serie con una cella inattiva: una situazione non invidiabile.
Un modo efficace per risolvere questo problema è collegare i diodi shunt in parallelo a tutti gli elementi, come mostrato in Fig. 5. I diodi sono collegati in modo che quando la cella solare è in funzione, siano polarizzati inversamente dalla tensione della cella stessa. Pertanto, attraverso il diodo non scorre corrente e la batteria funziona normalmente. Supponiamo ora che uno degli elementi venga ombreggiato. In questo caso, il diodo viene polarizzato direttamente e la corrente lo attraversa nel carico, bypassando l'elemento difettoso. Naturalmente, la tensione di uscita dell'intera catena diminuirà di 0,5 V, ma la fonte della forza autodistruttiva verrà eliminata. Un ulteriore vantaggio è che la batteria continua a funzionare normalmente. Senza diodi di bypass, fallirebbe completamente. In pratica non è pratico bypassare ogni cella della batteria. È necessario lasciarsi guidare da considerazioni di economia e utilizzare diodi shunt sulla base di un ragionevole compromesso tra affidabilità e costo. In genere, un diodo viene utilizzato per proteggere 1/4 della batteria. Pertanto sono necessari solo 4 diodi per l'intera batteria. In questo caso, l'effetto di ombreggiatura porterà ad una riduzione del 25% (abbastanza accettabile) della potenza di uscita. Tagliare gli elementi a pezzi Gli elementi seriali non sempre corrispondono esattamente al tuo design. Anche se cercano di offrirti la massima scelta possibile, non c'è modo di soddisfare le esigenze di tutti. Fortunatamente, questo non è richiesto. Le celle solari monocristalline possono essere modellate in qualsiasi forma desiderata.
Dovresti sapere che è così, perché le celle solari monocristalline sono costituite da un grande cristallo singolo. L'atomo di silicio ha quattro elettroni di valenza e forma un reticolo cristallino cubico. Nella fig. La Figura 6 mostra una tipica cella solare rotonda con la sua struttura granulare evidenziata. Se applichiamo una forza a questa struttura di elettroni strettamente legati, lungo la linea del difetto apparirà una crepa. Questo è molto simile ad una crepa causata da un terremoto. La struttura cristallina è nota e quindi è possibile prevedere la direzione della cricca. Se viene applicata una forza al bordo mostrato in Fig. 6 piastre nel punto A, le forze meccaniche che agiscono all'interno del cristallo lo divideranno in due metà. Ora invece di un elemento ce ne sono due. Diciamo che è necessario dividere tale elemento in quattro parti identiche. Ciò può essere ottenuto applicando la forza prima lungo la linea del difetto verticale e poi lungo quella orizzontale. Fortunatamente, questo può essere fatto allo stesso tempo. La maggior parte degli elementi rotondi monocristallini sono contrassegnati da una croce al centro. Se si preme a questo punto con un coltello a punta incrociata, l'elemento si dividerà in quattro pezzi netti. Va bene se non colpisci esattamente il centro. L'elemento verrà diviso, ma non in parti uguali. La dimensione dei frammenti sarà determinata dal punto in cui viene applicata la forza, ma saranno tutti divisi lungo piani identici. Le linee di clivaggio sono sempre parallele tra loro e tutte le intersezioni avvengono ad angolo retto. Guidati da queste regole, puoi ottenere elementi di qualsiasi dimensione richiesta. Quando provi a dividere un elemento per la prima volta, devi prestare la massima attenzione: non puoi lavorare su una superficie dura. Applicando una grande forza a un elemento che giace su una superficie piana e dura, puoi solo crearvi un buco. Per creare stress meccanico, l'elemento deve piegarsi. Ho scoperto che un paio di fogli di carta (può essere un giornale) sono sufficienti quando si divide un elemento. Solo gli elementi monocristallini possono essere suddivisi in questo modo. Gli elementi policristallini apparsi di recente (celle Wacker) non possono essere divisi simmetricamente. Se provi a farlo, la cella solare si frantumerà in un milione di pezzi. Un elemento policristallino è facile da distinguere da un elemento monocristallino. Come risultato della lavorazione, il monocristallo presenta una struttura superficiale uniforme e liscia. Il policristallino assomiglia all'acciaio zincato con il suo caratteristico aspetto superficiale. Celle solari di saldatura Dopo che le celle solari sono state selezionate per il funzionamento, devono essere saldate. Di solito abbiamo a nostra disposizione celle solari seriali dotate di griglie di raccolta corrente e contatti posteriori, progettati per saldare loro i conduttori. Durante la produzione, i contatti vengono spesso rivestiti con una lega per saldatura contenente una piccola quantità di argento. L'argento protegge la punta del saldatore dalla distruzione e dalla possibile adesione di contatti metallici sottili durante la saldatura. Ricorda che i collettori di corrente sono fragili quanto i conduttori metallici sui circuiti stampati. I produttori di celle solari utilizzano in genere saldature, flusso e conduttori speciali per i collegamenti. La saldatura contenente il 2% di argento può sempre essere acquistata presso il negozio. Invece della colofonia, è necessario utilizzare un normale flusso a base d'acqua in modo che possa essere facilmente rimosso dalla superficie dell'elemento dopo la saldatura. La cosa più difficile da trovare è un conduttore piatto a nastro, poiché raramente è in vendita. Tuttavia, puoi realizzare qualcosa di simile prendendo un pezzo di filo di rame e appiattindone l'estremità con un martello. Puoi invece utilizzare un foglio di rame o semplicemente un filo di rame sottile. Il processo di saldatura in sé è semplice, ma deve essere eseguito rapidamente. Il wafer di silicio è un ottimo dissipatore di calore e se si tocca a lungo l'elemento con un saldatore, la punta del saldatore si raffredderà al di sotto del punto di fusione della saldatura. Per prima cosa devi stagnare il filo usando un po' più di saldatura del solito, ma non troppo. La cella solare è già stagnata durante la produzione. Per lavoro si consiglia di utilizzare un saldatore con una potenza di 30 o 40 W. La punta del saldatore deve essere pulita e calda. Mentre il saldatore si riscalda, viene applicato del flusso all'elemento e il filo stagnato viene premuto contro la base del contatto dell'elemento. Ora tocca la superficie del filo con un saldatore caldo. È necessario che la connessione sia "avvolta" con saldatura fusa e sia garantito un contatto affidabile del filo con l'elemento. La saldatura viene eseguita con un solo tocco: è necessario lavorare rapidamente, ma con attenzione. Il contatto posteriore è saldato allo stesso modo. Per ottenere una catena sequenziale di elementi, il contatto anteriore del primo elemento è collegato tramite un filo al contatto posteriore del secondo. Quindi un altro pezzo di filo collega il contatto anteriore del secondo al retro del terzo, ecc. Il contatto anteriore è l'elettrodo negativo, mentre quello posteriore è l'elettrodo positivo. Un altro metodo diffuso è quello di collegare elementi come un tetto di tegole. Se hai mai visto un tetto di tegole, ti sei già fatto un'idea. Il contatto anteriore di un elemento è coperto superiormente dal contatto posteriore dell'altro. Il punto di contatto viene riscaldato con un saldatore e così i due elementi sono collegati tra loro. Tale connessione è mostrata in Fig. 7.
È necessario mettere un po' di saldatura in eccesso sulla punta per saldare in modo affidabile gli elementi. Fare attenzione a non surriscaldare l'elemento, altrimenti non ci sarà alcun contatto. In questo modo è meglio saldare piccoli elementi in cui l'intera superficie di contatto può essere riscaldata contemporaneamente. È preferibile utilizzare una speciale punta rettangolare per saldatore progettata per dissaldare i circuiti integrati dai circuiti stampati. Riscaldamento e pressione uniformi sono la chiave del successo. Protezione della batteria Ora che la batteria è assemblata, è necessario proteggerla da danni meccanici e dall'esposizione agli agenti atmosferici. È preferibile posizionare gli elementi con la superficie frontale su una lastra di vetro o plexiglass pulita. È preferibile utilizzare il vetro di sicurezza, poi, in ordine decrescente di proprietà protettive, ci sono vetri per finestre temprati, plastica acrilica e vetri per finestre normali. Il rivestimento trasparente protegge la batteria da danni meccanici dovuti a urti, torsioni e piegature. Ma non protegge bene dall'umidità. Come è noto il silicio è leggermente igroscopico; questo significa che assorbe pochissima acqua. Tuttavia, dopo un lungo periodo di tempo, si osserva una graduale diminuzione delle caratteristiche di rendimento dell'elemento, a causa dell'influenza dell'umidità. Pertanto, la durata della batteria dipende direttamente dalla qualità dell'isolamento dall'umidità. L’isolamento dall’umidità può essere ottenuto in molti modi. Secondo uno di questi, il lato posteriore può essere riempito con gomma liquida. Per fare ciò, è necessario realizzare una cornice attorno al perimetro del vetro protettivo in modo che il polimero liquido non trabocchi. Inoltre, il telaio resistente protegge bene il vetro protettivo dagli urti laterali. Un altro metodo prevede di coprire il retro della batteria con uno spesso foglio di plastica Mylar e di riscaldare l'intera batteria, ad esempio con una lampada a incandescenza, finché il Mylar non si scioglie e aderisce alla copertura protettiva anteriore. Questa operazione richiede una certa abilità, soprattutto nel caso di batterie di grandi dimensioni. La cover posteriore in mylar può essere semplicemente incollata. Spesso l'operazione citata è più semplice del riscaldamento, ma le proprietà isolanti peggiorano. Infine, il retro delle celle della batteria può essere rivestito con diversi strati di lattice. Questo non sembra esteticamente gradevole, ma fornisce proprietà di protezione dall'umidità abbastanza buone. L'ultimo metodo, ma non meno importante, è quello di realizzare una scatola impermeabile ed ermeticamente chiusa per gli elementi. È costoso, ma fornisce il necessario isolamento dall'umidità. Autore: Byers T.
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