太陽電池のパラメータとPVパネルの特性

太陽電池のパラメータと特性

太陽電池とは正確には何ですか？

太陽電池は、太陽放射を電気に変換できる半導体デバイスです。中間変換なしで太陽光を電気に変換するその能力は、利用可能な太陽エネルギーを有用な電気に利用することをユニークにします。それが太陽電池と呼ばれる理由です。図1に代表的な太陽電池を示します。

次のようなさまざまな要因が太陽電池によって生成される電力を支配します;

• 光の強さ：セルに当たる太陽光が高いほど、セルによって生成される電気が多くなります。
• セルの面積：セルの面積を増やすことにより、セルによって生成される電流も増加します。
• 入射角：セルに当たる光がその表面に垂直である場合、それによって生成される電力は最適です。理想的には、角度は90 ^o である必要があります しかし、実際には、90 ^o に近いはずです。 。

太陽電池は2端子デバイスです。 1つは正（アノード）で、もう1つは負（カソード）です。太陽電池の配置はソーラーモジュールまたはソーラーパネルと呼ばれ、ソーラーパネルの配置は太陽光発電アレイと呼ばれます。

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太陽電池の動作

太陽光は、有限量のエネルギーを持つフォトンのグループです。細胞による発電のために、それは光子のエネルギーを吸収しなければなりません。吸収は、光子のエネルギーと太陽半導体材料のバンドギャップエネルギーに依存し、電子ボルト（eV）で表されます。

光子は半導体材料に吸収され、電子と正孔のペアが生成されます。電子は負の電荷で、正孔は正の電荷です。負荷が接続されると、接合部で電子と正孔が分離し、正孔はアノード側に移動し、電子はカソード側に移動します。

したがって、これら2つの電荷が分離すると電位差が生じ、セルの端子間に電圧が発生します。この電圧は、回路の電流を駆動するために使用されます。

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太陽電池パラメータ

太陽光の電気への変換は、太陽電池のさまざまなパラメーターによって決定されます。これらのパラメータを理解するには、下の図2に示すようにI-V曲線を確認する必要があります。曲線は表1のデータに基づいてプロットされています。

表1

アンペア	ボルト	ワット
0	V OC =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
I M =0.62	V M =9.27	P M =5.75
0.63	9.08	5.72
0.64	8.72	5.58
I SC =0.65	0	0

セルパラメータは、STC（標準テスト条件）でメーカーから提供されます。 STCの下では、対応する日射量は1000 W / m ² に等しくなります。 セルの動作温度は25 ^o に等しい C.太陽電池のパラメータは次のとおりです。

短絡電流（I _SC ）：

短絡電流は、太陽電池によって生成される最大電流であり、アンペア（A）またはミリアンペア（mA）で測定されます。表1と図2からわかるように、セルが最大電流（I _SC ）を生成しているとき、開回路電圧はゼロです。 =0.65 A）。

短絡の値は、セルの面積、セルに当たるときの太陽放射、セルの技術などによって異なります。メーカーが電流の値ではなく電流の密度を指定する場合があります。電流密度は「J」で表され、短絡電流密度は「J _SC」で表されます。 」。短絡電流密度は、次のように短絡電流を太陽電池の面積で割ることによって得られます。

J _SC =I _SC / A

例を見てみましょう。太陽電池の電流密度は40 mA / cm ² STCおよび200cmの面積 ² 。次に、短絡電流は次のように決定できます。

I _SC =Jsc×面積=40mA / cm ² ×200cm ² =8000 mA =8 A

開回路電圧（V _OC ）：

開回路電圧は、開回路状態でセルが生成できる最大電圧です。ボルト（V）またはミリボルト（mV）で測定されます。表1と図2からわかるように、セルが最大電圧を生成するとき、短絡電流はゼロに等しくなります。 V _OCの値 セル技術とセルの動作温度に依存します。

最大電力点（P _M ）：

最大電力点は、太陽電池がSTCで生成できる最大電力を表します（つまり、太陽放射照度1000 W / m ² セルの動作温度は25 ^o C）。 W _Peakで測定されます または単にW_P 。 STC以外に、太陽電池にはP _Mがあります。 放射輝度とセル動作温度のさまざまな値で。

セルは、さまざまな電流と電圧の組み合わせで動作できます。ただし、最大電力P _Mしか生成できません。 特定の電圧と電流の組み合わせで。図2に示すように、最大​​電力点はI-V曲線の膝にあり、I _Mの積です。 およびV

P _M =I _M ×V_M =0.62×9.27=5.75 W _P

最大電力点での電流（I _M ）：

これは、最大PowerPointで動作しているときに太陽電池が生成する電流を表します。 I _Mで表されます 図2から、その値は常に短絡電流（I _SC ）よりも小さいことがわかります。 ）。アンペア（A）またはミリアンペア（mA）で測定されます。

最大電力点での電圧（V _M ）：

これは、最大PowerPointで動作しているときに太陽電池が生成する電圧を表します。 V _Mで表されます 図2から、その値は常に開回路電圧（V _OC ）よりも小さいことがわかります。 ）。ボルト（V）またはミリボルト（mV）で測定されます。

フィルファクター（FF）：

I _Mでカバーされる領域を表します – v _M I _SCで覆われた領域を持つ長方形 – v _OC 図2の点線のような長方形。曲線因子はI-V曲線の直角度を表します。パーセンテージ（％）で表され、パーセントで表した曲線因子が高いほど、セルは優れています。

FF =P _M /（I _SC ×V_OC ）

表1と図2のデータに基づいて、次のように曲線因子を決定できます。

FF =[5.75 /（0.65×11.4）]×100 =77.59％

100を掛けてパーセンテージで表されます。

効率（ƞ）：

• 太陽電池の効率は、最大出力電力（P _M ）として定義されます。 ）を入力電力で割った値（P _IN ）。これはパーセンテージ（％）で測定され、入力太陽光電力のこのパーセンテージが電力に変換されることを示します。入力電力は電力密度です。したがって、効率を計算するには、P _INを乗算します。 地域別のSTCで。効率は次のように計算できます。

ƞ=P _M /（P _IN ×面積）

セルの特定の領域が0.01 m ² の場合 、P _M =5.75 W _P その場合、標準的なテスト条件での効率は次のように与えられます。

ƞ=[5.75 W _P /（1000 W / m ² ×0.01m ² ）] =57.5％

100を掛けてパーセンテージで表されます。

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太陽光発電技術

市場にはさまざまな太陽電池があります。太陽電池技術の名前は、その技術で使用されている材料によって異なります。したがって、セルが異なれば、短絡電流密度、効率、開回路電圧、曲線因子などのセルパラメータも異なります。次の表2に、市販のセルとそのパラメータ値の範囲のリストを示します。

表2

単結晶シリコン 多結晶シリコン アモルファスSi テルル化カドミウム 銅​​-インジウム-ガリウム-セレニド ガリウムヒ素

セルタイプ	効率（％）	開回路電圧（V）	電流密度（mA / cm 2 ）	セル面積（cm 2 ）	フィルファクター（FF）
14 – 17	0.55 – 0.68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
14 – 16	0.55 – 0.65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
6 – 9	0.70 – 1.1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
8 – 11	0.80 – 1.0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
8 – 11	0.50 – 0.7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
30 – 35	1.0 – 2.5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

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太陽電池によって生成される電力に影響を与える要因

変換効率（ƞ）：

太陽電池に当たるすべての光が電気エネルギーに変換されるわけではありません。変換効率は、入力光エネルギーに対する生成された電気エネルギーの比率と呼ばれます。セルの製造プロセスと使用される材料に基づいてセルの効率を変更することはできず、その値は固定されたままです。

太陽電池の最大電力P _M セル端子間に発生する電圧と供給できる電流に依存します。セル領域は、セルによって生成される出力電力に影響を与える重要な要素の1つです。出力電力の値は、（W / m ² の特定の入力電力に対して決定できます。 ）、セルの変換効率（％）、セルの面積（m ² ） 。

太陽電池の効率は、STCと入力電力（P _IN ）は1000 W / m ² と見なされます 。したがって、以下の式を使用することにより、さまざまな効率で生成される出力電力を決定できます。

P _M =（P _IN ×面積）×ƞ

効率が30％と25％、面積が0.01 m ² のSTCでの出力電力を計算する必要があるとします。 。したがって、30％の効率で得られます;

P _M =（1000 W / m ² ×0.01m ² ）×0.30 =3 W _P

そして25％の効率で得られます;

P _M =（1000 W / m ² ×0.01m ² ）×0.25 =2.5 W _P

入力ライトの量：

セルに当たる光の強度は、1日を通して変化し続けます。セルに当たる光に応じて、セルの電流と電圧が変化します。セルによって生成される電流は、セルに当たる光に直接依存します。

午前から午後まで、セルに当たる光が増加するため、セルによって生成される電流も増加します。午後から日没まで、セルに当たる光が減少するため、セルによって生成される電流も減少します。太陽光の変化の影響を受けないため、セルの出力電圧に大きな変化はありません。

面積が0.01 m ² のセルの出力電力を計算する必要があるとします。 1000 W / m ² の入力電力の場合 および800W/ m ² 25％の効率を持っています。したがって、1000 W / m ² の入力電力の場合 次のように出力電力を取得します。

P _M =（1000 W / m ² ×0.01m ² ）×0.25 =2.5 W _P

そして800 W / m ² の入力電力の場合;

P _M =（800 W / m ² ×0.01m ² ）×0.25 =2 W _P

ご覧のとおり、入力電力の減少により出力電力が減少しています。したがって、セルによって生成される電力量は太陽光に比例します。

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セル領域：

太陽電池の短絡電流は、セルの面積によって異なります。出力電流はセル面積に正比例します。セル面積が大きいほど、生成される電流の量も大きくなり、その逆も同様です。たとえば、200 cm ² 面積は2Aの電流と200cm ² を生成します 1000 W / m ² の同じ放射照度で4Aの電流が生成されます 。

前に見たように、電流密度は電流をセルの面積で割ることによって得られます。電流密度（J _SC ）は、特定の日光強度に対して固定されており、面積に依存しません。面積が20cmの太陽電池の出力電流を計算する必要がある例を見てみましょう ² と50cm ² 。

35 mA/mの定電流密度 ² 。 20cmの出力電流 ² 次のように計算できます;

I _SC =J _SC ×面積=35mA / m ² ×20cm ² =0.70 A

50 cm ^{2の出力電流} 次のように計算できます;

I _SC =J _SC ×面積=35mA / m ² ×50cm ² =1.75 A

したがって、上記の計算から、セル領域が大きいほど電流の値が高くなり、セル領域が小さいほど電流の値が小さくなることが明らかです。

光の角度（θ）：

太陽電池は、光とセルの角度が互いに垂直である場合（つまり、90 ^o ）、特定の太陽光に対して最大の出力電力を生成します。 ）図3に示すように。光の入射角が90°以下の場合 ^o 図3に示すように、セルの最大出力電力能力よりも低い出力電力を生成します。

ライトが90°よりも大きいまたは小さい角度に当たったとき ^o 光の一部が反射され、セルによって利用される光は実際に当たる光よりも少なくなります。これにより、セルによって生成される出力電力が減少します。このため、可能な限り最大の電力を生成するには、落下する光に対して垂直な角度で太陽電池を設置する必要があります。

動作温度（T）：

メーカーは、放射照度が1000 W / m ² のSTCでセル電圧、電流、電力定格を提供しています。 温度は25 ^o しかし実際には、太陽電池の温度は周囲温度によって変化し、さらに太陽電池はガラスで囲まれているため、太陽電池の温度はさらに上昇します。

この温度の変化は、セルの電圧、電力、および効率に影響を与えます。STCを超えるセル温度の上昇は、これらのパラメーターの出力を低下させます。これらのパラメータの減少は、市場で入手可能な太陽電池ごとに異なります。

例を挙げて、パラメータの1つ（電圧など）の減少を理解しましょう。セルの出力電圧はSTCで0.9Vです。セルの動作温度は50 ^o です。 C.セルの出力電圧は2.1mV/ ^o 減少します C.出力電圧の新しい値は何でしょうか？

ΔT=T_実際の –t_標準 =50 – 25 =25 ^o C

出力電圧の低下=開回路電圧（V _OC ）STCで–（電圧の低下–ΔT）=0.9 –（2.1×10 ^-3 ×25）=0.84 V

上記の計算から、温度がSTCを超えると（つまり、25 ^o を超えると、出力電圧が低下すると結論付けることができます。 C）。

結論

豊富な太陽光を電気に変換できるのは、半導体技術の発展によるものです。この記事では、太陽電池の動作、さまざまな種類のセル、開回路電圧、短絡電流などのさまざまなパラメータを調べて、セルの特性を理解するのに役立てました。電力変換効率、入力光の量、セル面積など、セルによって生成される電力に影響を与える要因も調査されました。これらの要因は、パフォーマンスに影響を与え、別のシナリオでのセルの動作を理解するのに役立ちます。太陽電池技術を理解することで、私たちはそれを可能な限り最善の方法で利用して、日々のエネルギー要件を満たすことができます。