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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 태양 전지의 사용. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
광전지의 세계, 태양으로부터의 전기의 세계에 오신 것을 환영합니다. 독자가 아직 광전성에 익숙하지 않다면 진정한 즐거움을 얻을 것이며이 지인에 대한 보상을 받게 될 것입니다. 실리콘 태양전지의 용도와 응용에 대해 이야기하겠습니다. 장치가 사용되는 위치에 관계없이 태양 전지는 장치의 필수 부분이며 그 자체로 흥미롭습니다. 따라서 그 특성을 이해하고 사용 방법을 배우는 것이 중요합니다. 이 장에는 어려운 것이 없습니다. 우리는 단지 "톱니바퀴와 견과류"에 대해 이야기할 것입니다. 일의 기본 원칙 태양 전지의 작동 원리는 매우 간단하며 다음과 같습니다. 조명을 받으면 실리콘 태양 전지는 0,5V의 전압을 생성합니다. 유형 및 연결 방식에 관계없이 모든(대형 및 소형) 실리콘 태양 전지는 0,5V의 전압을 생성합니다. 요소의 출력 전류에 따라 상황이 다릅니다. 빛의 강도와 표면적을 나타내는 요소의 크기에 따라 다릅니다. 10 x 10 cm2 요소는 4 x 5 cm5 요소보다 2배 더 크므로 4배 더 많은 전류를 생성합니다. 전류의 강도는 또한 빛의 파장과 강도에 따라 달라지며 방사선의 강도에 정비례합니다. 빛이 밝을수록 태양 전지에서 더 많은 전류가 생성됩니다. 태양 전지의 출력 특성을 높입니다. 태양 전지는 언급된 매개변수 내에서 작동되는 경우 매우 드물게 사용됩니다. 어떤 경우에만 소비되는 전류량에 대한 임의의 요구 사항에 대해 이러한 낮은 전압(0,5V)이 필요합니다.
다행히 여기에는 제한이 없습니다. 출력 특성을 높이기 위해 태양 전지를 직렬 및 병렬로 연결할 수 있습니다. 우리는 태양 전지를 일반 배터리로 간주합니다. 손전등의 밝기를 높이려면 여러 개의 배터리가 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 본질적으로 배터리를 직렬로 연결하면 총 전압이 증가합니다(그림 1). 태양 전지에서도 마찬가지입니다. 한 셀의 양극 단자를 다른 셀의 음극 단자에 연결하면 두 셀에서 1V의 전압을 얻을 수 있습니다.마찬가지로 세 개의 셀은 1,5V, 네 개의 셀은 2V 등을 제공합니다. 직렬 연결된 태양 전지는 충분하다면 수천 볼트에 도달할 수 있습니다! 불행하게도, 출력 전류를 증가시키는 관점에서 볼 때, 직렬 연결은 본질적인 단점이 있습니다. 배터리가 직렬로 연결되면 출력 전류는 회로에서 최악의 요소의 레벨 특성을 초과하지 않습니다. 이는 배터리, 전원 공급 장치 또는 태양광 전지 등 모든 전원에 해당됩니다. 즉, 회로에 있는 2A 태양 전지의 수에 관계없이 1A 셀이 총 출력 전류, 즉 1A를 결정하므로 최대 성능을 달성하려면 회로의 모든 요소의 전류를 일치시켜야 합니다. 좋아, 긴장은 분명하다. 그러나 태양 전지의 출력 전류를 높이는 방법은 무엇입니까? 결국 태양은 일정한 밝기로 빛납니다. 출력 전류는 소자의 표면적에 따라 달라지므로 전류를 증가시키는 자연스러운 방법은 소자(또는 소자)의 면적을 늘리는 것입니다. 강요? 정확히!
그림과 같이 각각 5x5cm2의 2개 요소를 병렬로 연결하면 도 10와 같이 10x2cm100의 하나의 크기(두 경우 모두 표면적이 동일하여 2cmXNUMX임)로 XNUMX개의 요소를 교체했을 때와 동일한 결과를 얻을 수 있다. 병렬 연결에서는 전압이 아니라 전류의 크기만 증가한다는 것을 알아야 합니다. 병렬로 연결된 소자의 수(4 또는 50)에 관계없이 생성된 전압은 0,5V를 넘지 않습니다. 광전지 논의될 내용을 짐작할 수 있습니다. 실제로 두 스위칭 방법을 모두 활용하기 위해 요소의 직렬 및 병렬 연결을 결합하는 것이 가능합니다. 이 조합을 배터리라고 합니다. 배터리는 원하는 조합으로 만들 수 있습니다. 가장 간단한 배터리는 직렬 연결된 셀 체인입니다. 요소 체인을 병렬로 연결하거나 개별 요소를 체인으로 연결하거나 다른 조합으로 결합할 수도 있습니다. 무화과에. 3은 가능한 조합의 세 가지 예만 보여줍니다.
그림의 요소 연결 특성의 차이. 3은 모두 동일한 출력 특성을 갖지만 서로 다른 신뢰성 요구 사항에 의해 결정됩니다. 무화과에. 3, 세 개의 연속 요소 체인이 병렬로 연결됩니다. 이 방법은 개별 요소의 단락 가능성이 높을 때 사용됩니다. 무화과에. 3, b는 요소의 병렬 직렬 연결 다이어그램을 보여줍니다. 이러한 연결을 사용하면 예를 들어 균열의 출현으로 인해 요소 중 하나가 고장나도 체인 파손으로 인해 전체 체인이 손실되지 않습니다. 마지막 예(그림 3, c)에서는 연결 수가 최소인 두 가지 경우를 모두 고려합니다. 다른 유형의 연결도 가능하며 장치의 특정 작동 조건에 따라 선택해야 합니다. 한 가지 중요한 조건을 기억해야 합니다. 상상력의 비행에 관계없이 병렬로 연결된 요소 체인은 반드시 전압이 서로 일치해야 합니다. 15개 요소의 체인과 5개 요소의 짧은 체인을 병렬로 연결할 수 없습니다. 이 연결에서는 배터리가 작동하지 않습니다. 역 바이어스 일반적으로 태양열 패널로 작업할 때 기존 전원 공급 장치를 사용할 때 발생하지 않는 현상이 발생합니다. 이 현상은 소위 역 바이어스와 관련이 있습니다. 이것이 무엇인지 이해하기 위해 그림을 살펴보겠습니다. 4.
이 그림은 직렬로 연결된 8개의 요소를 보여줍니다. 회로의 총 출력 전압은 4V이고 저항 RL은 부하로 연결된다. 여태까지는 그런대로 잘됐다. 하지만 손과 같은 불투명한 물체로 광전지 D를 어둡게 하고 무슨 일이 일어나는지 봅시다. 아마 전압이 3,5V까지 떨어질 거라고 생각하시겠죠? 이런 건 없어! 전기 에너지를 생산하지 않는 태양 전지는 단락이 아니라 내부 저항이 높은 링크입니다. 스위치가 열릴 때와 같은 일이 발생하지만 이 스위치는 완전히 열리지 않습니다. 작은 전류가 흐릅니다. 대부분의 경우 어두운 태양 전지의 유효 저항은 부하 저항 RL 값보다 몇 배 더 큽니다. 따라서 실제로는 RL을 음극 단자와 양극 단자를 연결하는 전선 조각으로 생각할 수 있습니다. 이것은 요소 D가 이제 로드 기능을 수행한다는 것을 의미합니다. 다른 요소는 무엇을 합니까? 이 부하에 에너지를 공급하십시오! 결과적으로 요소 D가 가열되고 충분히 가열되면 고장(폭발)할 수 있습니다. 결과적으로 하나의 비활성 요소가있는 직렬 체인의 배터리가 남게됩니다. 부럽지 않은 상황입니다.
이 문제를 해결하는 효과적인 방법은 그림과 같이 션트 다이오드를 모든 요소에 병렬로 연결하는 것입니다. 5. 다이오드는 태양 전지가 작동 중일 때 전지 자체의 전압에 의해 역 바이어스되도록 연결됩니다. 따라서 다이오드를 통해 전류가 흐르지 않고 배터리가 정상적으로 작동합니다. 이제 요소 중 하나가 음영 처리되어 있다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 다이오드는 순방향 바이어스되고 전류는 결함 요소를 우회하여 부하로 흐릅니다. 물론 전체 회로의 출력 전압은 0,5V 감소하지만 자기 파괴력의 근원은 제거됩니다. 추가 이점은 배터리가 계속해서 정상적으로 작동한다는 것입니다. 션트 다이오드가 없으면 완전히 실패합니다. 실제로 각 배터리 셀을 션트하는 것은 비실용적입니다. 신뢰성과 비용 사이의 합리적인 절충안을 바탕으로 경제적 고려 사항과 션트 다이오드 사용을 고려해야 합니다. 원칙적으로 하나의 다이오드는 배터리의 1/4을 보호하는 데 사용됩니다. 따라서 전체 배터리에는 4개의 다이오드만 필요합니다. 이 경우 음영 효과로 인해 출력 전력이 25%(허용 가능) 감소합니다. 요소를 조각으로 자르기 직렬 요소가 항상 계획과 정확히 일치하는 것은 아닙니다. 가능한 한 많은 선택권을 제공하려고 노력하지만 모든 요청을 만족시킬 수 있는 방법은 없습니다. 다행히도 이것은 필수 사항이 아닙니다. 단결정 태양 전지는 원하는 모양으로 성형할 수 있습니다.
단결정 태양 전지는 큰 단결정으로 만들어지기 때문에 이것이 사실임을 알아야합니다. 규소 원자는 6개의 원자가 전자를 가지며 입방 결정 격자를 형성합니다. 무화과에. 도 XNUMX은 눈에 띄는 입상 구조를 갖는 전형적인 원형 태양전지를 나타낸다. 강하게 결합된 전자의 이 구조에 힘이 가해지면 결함 라인을 따라 균열이 나타납니다. 이것은 지진으로 인해 발생하는 균열과 매우 유사합니다. 결정의 구조를 알고 있으므로 균열의 방향을 예측할 수 있습니다. 그림에 표시된 가장자리에 힘이 가해지면 점 A에서 플레이트의 6, 수정 내부에 작용하는 기계적 힘이 수정을 두 부분으로 나눕니다. 이제 하나의 요소 대신에 두 개의 요소가 있습니다. 그러한 요소를 XNUMX개의 동일한 부분으로 분할해야 한다고 가정해 봅시다. 이는 먼저 수직 결함 라인을 따라 힘을 가한 다음 수평 결함 라인을 따라 가함으로써 달성할 수 있습니다. 다행히도 이것은 동시에 수행할 수 있습니다. 대부분의 단결정 원형 요소는 중앙에 십자 표시가 되어 있습니다. 이 지점을 십자형 칼로 누르면 요소가 XNUMX개의 깔끔한 조각으로 나뉩니다. 정확한 중심을 맞추지 못해도 걱정하지 마세요. 요소가 분할되지만 동일한 부분으로 분할되지는 않습니다. 조각의 크기는 힘이 가해지는 지점에 따라 결정되지만 모두 동일한 평면을 따라 분할됩니다. 절단선은 항상 서로 평행하며 모든 교차점은 직각으로 발생합니다. 이러한 규칙에 따라 필요한 크기의 요소를 가져올 수 있습니다. 처음으로 요소를 분할하려고 할 때 매우 주의해야 합니다. 단단한 표면에서 작업할 수 없습니다. 단단하고 평평한 표면에 놓인 요소에 많은 힘을 가하면 구멍만 뚫을 수 있습니다. 기계적 응력을 생성하려면 요소가 구부러질 필요가 있습니다. 요소를 분할할 때 종이 두 장(아마도 신문 용지)이면 충분하다는 것을 알았습니다. 이러한 방식으로 단결정 요소만 분할할 수 있습니다. 최근 등장한 다결정 소자(wacker cell)는 대칭적으로 분할할 수 없습니다. 이렇게 하면 태양 전지가 백만 조각으로 산산조각이 날 것입니다. 다결정 소자는 단결정과 구별하기 쉽습니다. 가공 결과 단결정은 균일하고 매끄러운 표면 구조를 갖습니다. 다결정은 특징적인 표면 외관으로 아연도금강처럼 보입니다. 태양 전지 납땜 작업을 위해 태양 전지를 선택한 후 납땜해야 합니다. 일반적으로 우리는 도체를 솔더링하도록 설계된 전류 수집 그리드와 후면 접점이 장착된 직렬 태양 전지를 마음대로 사용할 수 있습니다. 제조 과정에서 접점은 소량의 은이 포함된 땜납으로 코팅되는 경우가 가장 많습니다. 은은 납땜 중 얇은 금속 접점의 파손 및 접착 가능성으로부터 납땜 인두의 끝을 보호합니다. 전류 수집기 그리드는 인쇄 회로 기판의 금속 전도체만큼 취약하다는 점을 기억하십시오. 태양 전지 제조업체는 일반적으로 연결을 위해 특수 땜납, 플럭스 및 도체를 사용합니다. 2%의 은이 함유된 솔더는 항상 상점에서 구입할 수 있습니다. 로진 대신 일반 수성 플럭스를 사용해야 납땜 후 요소 표면에서 쉽게 씻어낼 수 있습니다. 가장 찾기 힘든 것은 평평한 리본 전도체인데, 거의 판매되지 않기 때문입니다. 그러나 구리선 조각을 가져다가 망치로 끝을 평평하게 하면 비슷한 것을 만들 수 있습니다. 대신 구리 호일이나 가는 구리선을 사용할 수 있습니다. 솔더링 공정 자체는 어렵지 않으나 신속하게 이루어져야 합니다. 실리콘 판은 매우 좋은 방열판이며 납땜 인두로 요소를 오랫동안 만지면 납땜 인두 팁이 납땜의 녹는 온도 이하로 냉각됩니다. 먼저 평소보다 약간 더 많은 땜납을 사용하여 와이어에 주석을 달아야 하지만 너무 많이는 아닙니다. 태양 전지는 제조 과정에서 이미 주석 도금 처리되어 있습니다. 작업을 위해서는 30 또는 40 와트의 납땜 인두를 사용하는 것이 좋습니다. 납땜 인두의 끝은 깨끗하고 따뜻해야 합니다. 납땜 인두가 가열되는 동안 플럭스가 요소에 적용되고 주석 도금 와이어가 요소의 접점 베이스에 대해 압착됩니다. 이제 뜨거운 납땜 인두를 와이어 표면에 대십시오. 조인트는 용융 땜납으로 "봉투"되어야 하며 요소와 와이어의 안정적인 접촉이 보장되어야 합니다. 납땜은 원터치로 이루어집니다. 신속하지만 신중하게 작업해야 합니다. 후면 접점도 같은 방식으로 납땜됩니다. 연속적인 요소 체인을 얻기 위해 첫 번째 요소의 전면 접점은 와이어로 두 번째 요소의 후면 접점에 연결됩니다. 그런 다음 다른 전선으로 두 번째 전면 접점이 세 번째 등의 후면에 연결됩니다. 전면 접점은 음극이고 후면 접점은 양극입니다. 널리 사용되는 또 다른 방법은 기와 지붕 형태의 요소 연결입니다. 기와 지붕을 본 적이 있다면 이미 아이디어를 얻었을 것입니다. 한 요소의 전면 접점은 다른 요소의 후면 접점에 의해 위에서 덮입니다. 접촉점은 납땜 인두로 가열되어 두 요소가 서로 연결됩니다. 이러한 연결은 그림 7에 나와 있습니다. XNUMX.
요소를 안정적으로 납땜하려면 팁에 약간의 과도한 납땜을 수집해야 합니다. 요소가 과열되지 않도록 주의하십시오. 그렇지 않으면 접촉이 전혀 되지 않습니다. 이런 식으로 전체 접촉 영역을 동시에 가열할 수 있는 작은 요소를 납땜하는 것이 좋습니다. 인쇄 회로 기판에서 집적 회로를 납땜 제거하도록 설계된 특수 직사각형 납땜 인두 팁을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 균일한 가열과 압력이 성공의 열쇠가 될 것입니다. 배터리 보호 이제 배터리가 조립되었으므로 기계적 손상 및 기상 조건으로부터 배터리를 보호해야 합니다. 깨끗한 유리 또는 플렉시 유리 위에 요소를 아래로 향하게 놓는 것이 가장 좋습니다. 안전 유리가 선호되며 강화 창 유리, 아크릴 플라스틱 및 일반 창 유리가 안전의 내림차순입니다. 투명 코팅은 충격 및 비틀림, 굽힘 중에 배터리가 기계적 손상을 입지 않도록 보호합니다. 그러나 습기로부터 잘 보호되지 않습니다. 아시다시피 실리콘은 약간 흡습성이 있습니다. 이것은 물을 거의 흡수하지 않는다는 것을 의미합니다. 그러나 오랜 시간이 지나면 습도의 영향으로 소자의 출력 특성이 점차 저하됩니다. 따라서 배터리 수명은 수분 절연 품질에 직접적으로 의존합니다. 수분 절연은 여러 가지 방법으로 제공될 수 있습니다. 그 중 하나에 따라 뒷면을 액상 고무로 채울 수 있습니다. 이렇게하려면 액체 폴리머가 넘치지 않도록 보호 유리 주변에 프레임을 만들어야합니다. 또한 강력한 프레임은 측면 충격으로부터 보호 유리를 잘 보호합니다. 또 다른 방법은 Mylar 플라스틱의 두꺼운 시트로 배터리 뒷면을 덮고 Mylar가 녹아서 전면 보호 덮개에 붙을 때까지 백열 램프와 같이 전체 배터리를 가열하는 것입니다. 이 작업에는 특히 큰 배터리의 경우 약간의 기술이 필요합니다. 후면 마일라 커버는 간단히 접착할 수 있습니다. 이 작업은 종종 가열보다 간단하지만 절연 특성이 저하됩니다. 마지막으로 배터리 셀의 뒷면을 여러 겹의 라텍스로 덮을 수 있습니다. 심미적으로 만족스럽지는 않지만 상당히 우수한 방습 특성을 제공합니다. 마지막으로 요소를 위한 방습 밀봉 상자의 생산입니다. 비싸지 만 필요한 습기 절연을 제공합니다. 저자: 바이어스 T.
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