نموذج مبسط:

يمكن نمذجة الخلية الكهروضوئية في حالة مبسطة ومثالية كمصدر تيار - يوفر تيارًا تم إنشاؤه بواسطة الصورة IPG - متسلسلًا مع الصمام الثنائي:

بينما هذا النموذج بسيط للغاية ، يمكنه إخبارنا بالعديد من الأشياء المهمة. بحلول نهاية هذا الدرس ، سنرى أنه بعد إجراء بعض القياسات للخلية الكهروضوئية ، يسمح لنا هذا النموذج بالتنبؤ بـ:

• العلاقة بين التيار والجهد الذي توفره الخلية الكهروضوئية.

• الجهد الذي يجب العمل به لتعظيم طاقة الخرج.

• كفاءة تحويل الخلية الكهروضوئية لأشعة الشمس إلى كهرباء.

موقع التحميل:

التيار المتدفق عبر الصمام الثنائي ليس مفيدًا لنا - فالطاقة المتبددة في الوصلة ستؤدي ببساطة إلى تسخين الوصلة. لا يمكن جمع هذا التيار الكهربائي للاستخدام في جهاز مثل المصباح الكهربائي أو الكمبيوتر.

في الدرس حول جمع حاملات الشحنة ، وجدنا أنه يمكننا جمع الطاقة من الإلكترونات المثارة إذا كان لدينا طريقة لربط المقاوم بين المكان الذي تتواجد فيه الإلكترونات المثارة والثقوب - نطاقات التوصيل والتكافؤ.

لسوء الحظ ، لا توجد نطاقات التوصيل والتكافؤ في أجزاء منفصلة ماديًا من المادة. الخبر السار هو أنه مع وصلة p-n الخاصة بنا ، يمكننا فصل المناطق التي تميل فيها الإلكترونات المثارة والثقوب إلى التجمع:

موقع الحمل:

التيار المتدفق عبر الصمام الثنائي ليس مفيدًا لنا - فالطاقة المتبددة في الوصلة ستؤدي ببساطة إلى تسخين الوصلة. لا يمكن جمع هذا التيار الكهربائي للاستخدام في جهاز مثل المصباح الكهربائي أو الكمبيوتر.

في الدرس حول جمع حاملات الشحنة ، وجدنا أنه يمكننا جمع الطاقة من الإلكترونات المثارة إذا كان لدينا طريقة لربط المقاوم بين المكان الذي تتواجد فيه الإلكترونات المثارة والثقوب - نطاقات التوصيل والتكافؤ.

لسوء الحظ ، لا توجد نطاقات التوصيل والتكافؤ في أجزاء منفصلة ماديًا من المادة. الخبر السار هو أنه مع وصلة p-n الخاصة بنا ، يمكننا فصل المناطق التي تميل فيها الإلكترونات المثارة والثقوب إلى التجمع:

استكمال: التيار والجهد في الخلية الكهروضوئية بدون حمل

حالة عدم وجود حمل:

عندما لا يتم توصيل الخلية الكهروضوئية بأي حمل خارجي ، سيتدفق كل التيار الناتج عن الصورة عبر الوصلة (الصمام الثنائي في نموذجنا). وهذا يعني أن IPG = ID ويمكنك استعادة الرسم البياني من نهاية الدرس السابق:

[رسم بياني يوضح العلاقة بين التيار والجهد للخلية الكهروضوئية بدون حمل]

في هذا الترتيب ، يتطلب الجهد الأعلى تيارًا أعلى تم إنشاؤه بواسطة الصورة ، لذلك يرتفع كل من التيار والجهد معًا. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة للخلية الكهروضوئية في ظروف إضاءة معينة ، نتعامل مع التيار الناتج عن الصورة IPG على أنه ثابت.

يخبرنا المعادلة والرسم البياني أننا نحتاج إلى زيادة ID لزيادة الجهد عبر الوصلة ، ولكن من الناحية العملية هذا صعب لأننا لا نستطيع زيادة IPG بسهولة.

إضافة الحمل:

إذا أردنا جمع الطاقة الكهربائية من خلية كهروضوئية ، فنحن بحاجة إلى توصيل حمل كهربائي بحيث يتدفق جزء من التيار الناتج عن الصورة عبر الحمل بدلاً من الصمام الثنائي. يظهر الرسم البياني للدائرة بعد توصيل حمل كهربائي ، يتم نمذجته هنا كمقاوم ، على هذا النحو:

[رسم تخطيطي للخلية الكهروضوئية المتصلة بحمل]

بمجرد توصيل الخلية الكهروضوئية الخاصة بنا بحمل عن طريق وضع ذلك الحمل بالتوازي مع الصمام الثنائي ، فإن التيار الذي نهتم به حقًا هو التيار عبر الحمل I ، وليس التيار عبر الصمام الثنائي ID. وذلك لأن الطاقة المبددة في الحمل (وبالتالي العمل المفيد الذي يمكننا القيام به باستخدام الخلية الكهروضوئية) تعتمد بشكل مباشر على I.

استكمال: التيار في الخلية الكهروضوئية

التحكم في التيار عبر الحمل:

في الواقع ، نقوم بالتحكم في مقدار التيار الذي يمر عبر الحمل عن طريق تغيير الحمل - أي عن طريق تغيير مقاومة المقاوم. يمكننا تغيير مقاومة الحمل من 0 إلى ∞.

• مقاومة 0: تؤدي إلى جهد

  V = I × R = I × 0 = 0

  لا تعني المقاومة أي شيء أنه سيكون من الأسهل بكثير تدفق التيار عبر الحمل بدلاً من الصمام الثنائي ، لذلك تؤدي المقاومة الصفرية أيضًا إلى أقصى تيار عبر الحمل.

• مقاومة ∞: تؤدي إلى تيار

  I = V / R = V / ∞ = 0

  تعني المقاومة اللانهائية أن كل التيار الناتج عن الصورة سيمر عبر الصمام الثنائي بدلاً من الحمل ، مما سيؤدي إلى أقصى جهد عبر الصمام الثنائي وبالتالي أيضًا أقصى جهد عبر الحمل.

نقاط التشغيل المهمة:

• تيار القصر (ISC): عندما تكون مقاومة الحمل صفرًا ، يكون لدينا "قصر" ، مما يؤدي إلى أقصى تيار يمكن للخلية الكهروضوئية توصيله عبر الحمل.

• جهد الدائرة المفتوحة (VOC): عندما تكون مقاومة الحمل لانهائية ، يكون لدينا "دائرة مفتوحة" ، مما يؤدي إلى أقصى جهد يمكن للخلية الكهروضوئية تحقيقه.

قياس التيار:

• قياس ISC: يعطينا معلومات حول إجمالي التيار الناتج عن الصورة (IPG) الذي يمكن للخلية إنتاجه في ظل ظروف الإضاءة تلك.

استكمال: التيار في الخلية الكهروضوئية

التحكم في التيار عبر الحمل:

في الواقع ، نقوم بالتحكم في مقدار التيار الذي يمر عبر الحمل عن طريق تغيير الحمل - أي عن طريق تغيير مقاومة المقاوم. يمكننا تغيير مقاومة الحمل من 0 إلى ∞.

• مقاومة 0: تؤدي إلى جهد

  V = I × R = I × 0 = 0

  لا تعني المقاومة أي شيء أنه سيكون من الأسهل بكثير تدفق التيار عبر الحمل بدلاً من الصمام الثنائي ، لذلك تؤدي المقاومة الصفرية أيضًا إلى أقصى تيار عبر الحمل.

• مقاومة ∞: تؤدي إلى تيار

  I = V / R = V / ∞ = 0

  تعني المقاومة اللانهائية أن كل التيار الناتج عن الصورة سيمر عبر الصمام الثنائي بدلاً من الحمل ، مما سيؤدي إلى أقصى جهد عبر الصمام الثنائي وبالتالي أيضًا أقصى جهد عبر الحمل.

نقاط التشغيل المهمة:

• تيار القصر (ISC): عندما تكون مقاومة الحمل صفرًا ، يكون لدينا "قصر" ، مما يؤدي إلى أقصى تيار يمكن للخلية الكهروضوئية توصيله عبر الحمل.

• جهد الدائرة المفتوحة (VOC): عندما تكون مقاومة الحمل لانهائية ، يكون لدينا "دائرة مفتوحة" ، مما يؤدي إلى أقصى جهد يمكن للخلية الكهروضوئية تحقيقه.

قياس التيار:

• قياس ISC: يعطينا معلومات حول إجمالي التيار الناتج عن الصورة (IPG) الذي يمكن للخلية إنتاجه في ظل ظروف الإضاءة تلك.

الجهد عند أقصى طاقة (VMPP):

• أكبر بكثير من الجهد الحراري (kB*T/q): الجهد الحراري صغير جدًا، عادةً ما يكون حوالي 0.026 فولت في درجة حرارة الغرفة. بينما يكون الجهد عند أقصى طاقة قريبًا من جهد الدائرة المفتوحة (VOC) وهو حوالي 1 فولت للخلية الشمسية المفيدة.

• قريب من جهد الدائرة المفتوحة (VOC): يكون الجهد عند أقصى طاقة (VMPP) أعلى بقليل من الجهد الحراري (kB*T/q) وأقل بقليل من جهد الدائرة المفتوحة (VOC) بسبب تدفق بعض التيار عبر الصمام الثنائي.

التيار عند أقصى طاقة (IMPP):

• أكبر بكثير من تيار التسرب (I0): تيار التسرب هو تيار صغير جدًا يتدفق حتى عندما لا يكون هناك جهد عبر الصمام الثنائي. بينما التيار عند أقصى طاقة (IMPP) هو تيار كبير يمكن للخلية توصيله.

التيار التشبعي للصمام الثنائي (I0):

• أصغر بكثير من تيار القصر (ISC): تيار القصر هو أقصى تيار يمكن للخلية توصيله. بينما تيار التسرب (I0) هو تيار صغير جدًا يتسرب عبر الصمام الثنائي.

ملخص:

• VMPP >> kB*T/q و VMPP ≈ VOC

• IMPP >> I0

• I0 << ISC

فهم هذه الأحجام النسبية مفيد عند تحليل سلوك الخلايا الشمسية وإجراء التبسيطات في الحسابات.

شرح معادلة كفاءة الخلية الكهروضوئية:

كفاءة الخلية (η):

• تمثل كسر طاقة الشمس الساقطة (Pin) التي يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية بواسطة الخلية.

• يتم التعبير عن الكفاءة عادةً كنسبة مئوية.

التيار عند أقصى طاقة (IMPP):

• هو التيار الذي يتدفق عبر الحمل عندما تعمل الخلية عند أقصى طاقة (MPP).

الجهد عند أقصى طاقة (VMPP):

• هو الجهد عبر الحمل عندما تعمل الخلية عند أقصى طاقة (MPP).

طاقة الشمس الساقطة (Pin):

• هي طاقة ضوء الشمس التي تسقط على الخلية الكهروضوئية.

تيار القصر (ISC):

• هو أقصى تيار يمكن للخلية توصيله عندما تكون مقاومة الحمل صفرًا (شبه ماس كهربائي).

جهد الدائرة المفتوحة (VOC):

• هو أقصى جهد عبر الخلية عندما لا يتدفق أي تيار عبرها (شبه دائرة مفتوحة).

عامل الامتلاء (FF):

• هو معلمة تمثل مدى قرب منحنى التيار-الجهد الفعلي للخلية من الحالة المثالية المستطيلة.

• تشير قيمة عامل الامتلاء العالية إلى أداء أفضل.

شرح المعادلة:

توضح المعادلة أن الكفاءة تساوي حاصل ضرب الجهد عند أقصى طاقة (VMPP) والتيار عند أقصى طاقة (IMPP) مقسومًا على حاصل ضرب طاقة الشمس الساقطة (Pin) وعامل الامتلاء (FF).

نقاط مهمة:

• تدل الكفاءة العالية على أن الخلية الكهروضوئية تحول نسبة أكبر من ضوء الشمس الذي تستقبله إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام.

• أقصى طاقة (MPP): هي نقطة التشغيل التي تنتج فيها الخلية أعلى طاقة.

• عامل الامتلاء: يوفر مقياسًا لـ "جودة" منحنى التيار-الجهد للخلية مقارنةً بالمستطيل المثالي.

أرجو أن يكون هذا الشرح قد أوضح معنى المعادلة والعوامل التي تؤثر على كفاءة الخلية الشمسية.

في طور التطوير

تابعونا

آلية عمل خلية الطاقة الشمسية

استكشفنا آلية عمل خلية الطاقة الشمسية والمعلمات المهمة لتوصيف أدائها. قم بصنع خلية طاقة شمسية خاصة بك واتخاذ القرارات المناسبة لتحقيق أقصى كفاءة.