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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽電池の使用。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
太陽光発電の世界、太陽からの電気の世界へようこそ。 読者が光電気にまだ慣れていない場合、彼は本当に喜びを感じ、この知識に報われるでしょう。 シリコン太陽電池の利用と応用についてお話します。 デバイスがどこで使用されるかに関係なく、太陽電池はデバイスに不可欠な部分であり、それ自体興味深いものです。 したがって、その性質を理解し、その使用方法を学ぶことが重要です。 この章では難しいことは何もありません。 今回は「歯車とナッツ」についてお話します。 仕事の基本原則 太陽電池の動作原理は非常に単純で、以下のとおりです。 光が当たると、シリコン太陽電池は 0,5 V の電圧を生成します。種類や接続方式に関係なく、すべての (大型および小型) シリコン太陽電池は 0,5 V の電圧を生成します。 素子の出力電流によって状況が異なります。 それは光の強度と、表面積を表す要素のサイズによって異なります。 10 x 10 cm2 の要素は 4 x 5 cm5 の要素よりも 2 倍大きく、したがって 4 倍多くの電流を生成することは明らかです。 電流の強さは光の波長とその強度にも依存し、放射線の強度に直接比例します。 光が明るいほど、太陽電池によってより多くの電流が生成されます。 太陽電池の出力特性の向上 言及されたパラメータ内で動作する場合、太陽電池はほとんど使用されません。 消費電流量の任意の要件を満たすためにこのような低電圧 (0,5 V) が必要になるのは、場合によってのみです。
幸いなことに、ここには制限はありません。 太陽電池を直列および並列に接続して出力特性を向上させることができます。 太陽電池を通常の電池として考えます。 懐中電灯の明るさを高めるためにいくつかの電池が使用されることが知られています。 基本的に、電池を直列に接続すると、合計電圧が増加します（図1）。 太陽電池でも同じことができます。 1 つのセルのプラス端子をもう 1,5 つのセルのマイナス端子に接続すると、2 つのセルから XNUMX V の電圧が得られます。同様に、XNUMX つのセルで XNUMX V、XNUMX つのセルで XNUMX V が得られます。理論的には、直列接続された太陽電池は、十分な数があれば、数千ボルトに達する可能性があります。 残念ながら、出力電流を増やすという観点から見ると、直列接続には固有の欠点があります。 電池が直列に接続されている場合、出力電流は回路内の最悪の要素のレベル特性を超えません。 これは、バッテリー、電源、太陽電池など、すべての電源に当てはまります。 これは、回路内の任意の数の 2A 太陽電池セルの場合、1A セルが合計出力電流、つまり 1A を決定することを意味します。したがって、最大の性能を達成したい場合は、回路内のすべての要素の電流を一致させる必要があります。 よし、緊張は解けた。 しかし、太陽電池の出力電流を増やすにはどうすればよいでしょうか? やはり、太陽はそれなりの明るさで輝いています。 出力電流は素子の表面積に依存するため、電流を増やす自然な方法は素子の面積を増やすことです。 要素？ その通り！
図に示すように、それぞれ 5x5 cm2 の要素を 2 つ取り出し、並列に接続するとします。 図 10 に示すように、10 つの要素を 2x100 cm2 の XNUMX つのサイズに置き換えた場合と同じ結果を得ることができます (どちらの場合も、表面積は同じで XNUMX cmXNUMX)。 並列接続では、電流の大きさのみが増加し、電圧は増加しないことを理解する必要があります。 並列接続する素子数が4個でも50個でも、発生する電圧は0,5V以下となります。 太陽電池 何が議論されるかは推測できます。 実際、両方のスイッチング方法を活用するために、要素の直列接続と並列接続を組み合わせることが可能です。 この組み合わせをバッテリーと呼びます。 電池は任意の組み合わせで作ることができます。 最も単純なバッテリーは、直列接続されたセルのチェーンです。 要素のチェーンを並列に接続したり、個々の要素をチェーンに接続したり、それらを他の組み合わせで組み合わせたりすることもできます。 図上。 図３は、可能な組み合わせの３つの例のみを示している。
図の要素の接続の性質の違い。 図 3 に示す出力特性はすべて同じ出力特性を持っていますが、異なる信頼性要件によって決まります。 図上。 3 つの連続する要素チェーンが並列に接続されています。 この方法は、個々の素子が短絡する可能性が高い場合に使用されます。 図上。 図３のｂは、要素の並列−直列接続の図を示す。 このような接続では、たとえば亀裂の出現による要素の 3 つの破損が、チェーンの破損によるチェーン全体の損失につながることはありません。 最後の例 (図 3、c) では、最小限の接続で両方のケースが考慮されています。 他のタイプの接続も可能であり、その選択はデバイスの特定の動作条件によって決定する必要があります。 15 つの重要な条件を覚えておく必要があります。 想像力の飛躍に関係なく、並列接続された一連の要素の電圧は必ず一致する必要があります。 5 要素のチェーンと XNUMX 要素の短いチェーンを並列に接続することはできません。 この接続ではバッテリーは動作しません。 逆バイアス ソーラーパネルを使用すると、通常、従来の電源を使用した場合には起こらない現象が発生します。 この現象は、いわゆる逆バイアスに関連しています。 これが何であるかを理解するために、図を見てみましょう。 4.
この図は、直列に接続された 8 つの要素を示しています。 回路の合計出力電圧は 4 V で、抵抗 RL が負荷として接続されています。 ここまでは順調ですね。 しかし、手のような不透明な物体でフォトセル D を暗くして、何が起こるかを見てみましょう。 おそらく電圧は3,5Vまで下がると思いますよね？ こんなことは何もない！ 電気エネルギーを生成しない太陽電池は、短絡ではなく、内部抵抗が高いリンクです。 スイッチが開いているときと同じことが起こりますが、このスイッチは完全には開いておらず、小さな電流が流れます。 ほとんどの場合、暗くなった太陽電池の実効抵抗は、負荷抵抗 RL の値よりも何倍も大きくなります。 したがって、実際には、RL はマイナス端子とプラス端子を接続するワイヤと考えることができます。 これは、要素 D がロード機能を実行することを意味します。他の要素は何をするのでしょうか? この負荷にエネルギーを供給してください! その結果、要素 D が加熱され、十分に加熱されると破損 (爆発) する可能性があります。 その結果、XNUMX つの非アクティブな要素を含むシリアル チェーンからのバッテリーが残されます。これは、うらやましい状況です。
この問題を解決する効果的な方法は、図に示すように、シャント ダイオードをすべての要素に並列に接続することです。 5. ダイオードは、太陽電池が動作しているときに、太陽電池自体の電圧によって逆バイアスがかかるように接続されています。 したがって、ダイオードには電流が流れず、バッテリーは正常に機能します。 ここで、要素の 0,5 つが影付けされていると仮定します。 この場合、ダイオードは順方向バイアスになっていることが判明し、電流はそれを通って負荷に流れ、故障した要素をバイパスします。 もちろん回路全体の出力電圧はXNUMXV下がりますが、自己破壊力の発生源はなくなります。 さらなる利点は、バッテリーが正常に機能し続けることです。 シャントダイオードがなければ完全に故障してしまいます。 実際には、各バッテリーセルを短絡することは非現実的です。 経済性を考慮し、信頼性とコストの間の合理的なトレードオフに基づいたシャント ダイオードの使用を考慮する必要があります。 通常、バッテリーの 1/4 を保護するために 4 つのダイオードが使用されます。 したがって、バッテリー全体に必要なダイオードは 25 つだけです。 この場合、シェーディング効果により、出力電力が XNUMX% (許容範囲内) 減少します。 要素を細かく切る シリアル要素が計画と正確に一致するとは限りません。 可能な限り多くの選択肢を提供するよう努めていますが、すべてのリクエストを満たす方法はありません。 幸いなことに、これは必須ではありません。 単結晶太陽電池は、任意の形状に成形できます。
単結晶太陽電池は大きな単結晶から作られるため、これが事実であることを知っておく必要があります。 シリコン原子は 6 つの価電子を持ち、立方晶格子を形成しています。 図上。 図６は、顕著な粒状構造を有する典型的な円形太陽電池を示す。 この強く束縛された電子の構造に力を加えると、欠陥線に沿って亀裂が生じます。 これは、地震によって生じる亀裂と非常によく似ています。 結晶の構造は既知であるため、亀裂の方向を予測できます。 図のエッジに力を加えると、 プレートの 6 を点 A に置くと、結晶内部に作用する機械的な力によって結晶が XNUMX つの半分に分割されます。 XNUMX つの要素の代わりに XNUMX つの要素が存在します。 このような要素を XNUMX つの同一の部分に分割する必要があるとします。 これは、最初に垂直の欠陥線に沿って力を加え、次に水平の欠陥線に沿って力を加えることで実現できます。 幸いなことに、これは同時に行うことができます。 ほとんどの単結晶の丸い要素には、中央に十字のマークが付いています。 この時点で十字型のナイフで押すと、要素が XNUMX つのきれいな部分に分割されます。 正確な中心に当てられなくても心配する必要はありません。 要素は分割されますが、同じ部分には分割されません。 破片のサイズは力の作用点によって決まりますが、それらはすべて同じ平面に沿って分割されます。 劈開線は常に互いに平行であり、すべての交差は直角に発生します。 これらのルールに従って、必要なサイズの要素を取得できます。 初めて要素を分割しようとするときは、細心の注意を払う必要があります。硬い表面では作業できないからです。 硬い平らな面の上にある要素に大きな力を加えると、穴を開けることしかできません。 機械的応力を生み出すには、要素を曲げる必要があります。 要素を分割するときは、数枚の紙 (おそらく新聞紙) で十分であることがわかりました。 この方法で分割できるのは単結晶要素のみです。 最近出現した多結晶要素（ワッカーセル）は対称的に分割できません。 これをやろうとすると、太陽電池は百万個の破片に砕け散ります。 多結晶要素は単結晶と簡単に区別できます。 処理の結果、単結晶は均一で滑らかな表面構造を持ちます。 多結晶は、その特徴的な表面外観により、亜鉛メッキ鋼のように見えます。 太陽電池のはんだ付け 作業用に太陽電池を選択した後、それらをはんだ付けする必要があります。 通常、集電グリッドとバックコンタクトを備えた直列太陽電池を自由に使用でき、これらに導体をはんだ付けするように設計されています。 ほとんどの場合、製造中に、接点は少量の銀を含むはんだでコーティングされます。 銀は、はんだごての先端を破壊や、はんだ付け中の薄い金属接点の付着の可能性から保護します。 集電グリッドはプリント基板の金属導体と同じくらい壊れやすいことに注意してください。 太陽電池メーカーは通常、接続に特殊なはんだ、フラックス、導体を使用します。 銀を2%含むはんだは店頭でいつでも購入できます。 ロジンの代わりに、はんだ付け後に素子の表面からフラックスを簡単に洗い流せるように、通常の水性フラックスを使用する必要があります。 見つけるのが最も難しいのは、平らなリボン導体です。これはほとんど販売されていないためです。 ただし、銅線の端をハンマーで平らにすれば、同様のものを作ることができます。 代わりに、銅箔または細い銅線を使用できます。 はんだ付け作業自体は難しくありませんが、手早く行う必要があります。 シリコンプレートは非常に優れたヒートシンクであり、長時間はんだごてで素子に触れていると、はんだごての先端がはんだの溶ける温度以下に冷えます。 まず、通常より少し多めのはんだを使用してワイヤーに錫メッキをする必要がありますが、多すぎないように注意してください。 太陽電池は製造時にすでに錫メッキされています。 作業には、30または40ワットのはんだごてを使用することをお勧めします。 はんだごての先端は清潔で温かくなければなりません。 はんだごてが加熱されている間、フラックスがエレメントに塗布され、錫メッキ線がエレメントの接触ベースに押し付けられます。 次に、熱いはんだごてをワイヤーの表面に当てます。 接合部が溶融はんだで「包まれ」、ワイヤと要素との信頼できる接触が確保されることが必要です。 はんだ付けはワンタッチで完了します。素早く、しかし慎重に作業する必要があります。 背面コンタクトも同様に半田付けします。 要素の連続チェーンを取得するには、最初の要素の前部接点がワイヤで XNUMX 番目の要素の後部接点に接続されます。 次に、別のワイヤを使用して、XNUMX 番目の前面の接点を XNUMX 番目の背面の接点に接続します。 前面の接点は負極、背面の接点は正極です。 広く使用されているもう 7 つの方法は、瓦屋根の形で要素を接続することです。 瓦屋根を見たことがある人なら、もう想像がつくでしょう。 一方の要素の前面接点は、他方の要素の背面接点によって上から覆われます。 タッチポイントをはんだごてで加熱すると、XNUMX つの要素が互いに接続されます。 このような接続を図に示します。 XNUMX。
素子を確実にはんだ付けするためには、余分なはんだをこて先に集める必要があります。 素子が過熱しすぎないように注意してください。加熱しないとまったく接触しなくなります。 このようにして、接触領域全体を同時に加熱できる小さな要素をはんだ付けすることをお勧めします。 プリント基板から集積回路のはんだを除去するために設計された特別な長方形のはんだこて先を使用するのが最善です。 均一な加熱と圧力が成功の鍵となります。 バッテリー保護 バッテリーが組み立てられたので、機械的損傷や気象条件からバッテリーを保護する必要があります。 要素を下向きにして、きれいなガラスシートまたはプレキシガラスの上に置くのが最善です。 安全ガラスが優先され、安全性の高い順に強化窓ガラス、アクリルプラスチック、通常の窓ガラスが続きます。 透明なコーティングにより、衝撃やねじり、曲げによる機械的損傷からバッテリーを保護します。 しかし、湿気からは十分に保護されません。 ご存知のとおり、シリコンはわずかに吸湿性があります。 これは、水をほとんど吸収しないことを意味します。 しかし、長期間使用すると湿度の影響により素子の出力特性が徐々に低下します。 したがって、バッテリーの寿命は防湿の品質に直接依存します。 防湿はさまざまな方法で実現できます。 そのうちの１つによれば、裏面に液状ゴムを充填することができる。 これを行うには、液体ポリマーが溢れないように保護ガラスの周囲に枠を作る必要があります。 また、強固なフレームが側面からの衝撃から保護ガラスをしっかり守ります。 別の方法では、バッテリーの背面をマイラー プラスチックの厚いシートで覆い、マイラーが溶けて前面の保護カバーに接着するまで白熱灯などでバッテリー全体を加熱します。 この操作には、特に大きなバッテリーの場合、ある程度のスキルが必要です。 背面のマイラーカバーは簡単に接着できます。 この操作は加熱よりも簡単な場合が多いですが、断熱性が低下します。 最後に、バッテリーセルの裏側をラテックスの複数の層で覆うことができます。 見た目はそれほど美しくありませんが、かなり優れた防湿特性を提供します。 最後に重要なことは、要素を収納する防湿密閉ボックスの製作です。 高価ですが、必要な防湿効果が得られます。 著者：バイヤーズT。
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