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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA O uso de células solares. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Bem-vindo ao mundo da energia fotovoltaica, ao mundo da eletricidade do sol. Se o leitor ainda não estiver familiarizado com a fotoeletricidade, ele terá um verdadeiro prazer e será recompensado por esse conhecimento. Falaremos sobre o uso e aplicação de células solares de silício. Independentemente de onde o dispositivo será usado, as células solares são parte integrante e são interessantes em si mesmas. Assim, é importante entender sua natureza e aprender a usá-los. Não há nada difícil neste capítulo. Vamos apenas falar sobre "engrenagens e nozes". Princípios básicos de trabalho O princípio de operação de uma célula solar é bastante simples e é o seguinte. Quando iluminada, uma célula solar de silício gera uma tensão elétrica de 0,5 V. Independentemente do tipo e esquema de conexão, todas as células solares de silício (grandes e pequenas) geram uma tensão de 0,5 V. A situação é diferente com a corrente de saída do elemento. Depende da intensidade da luz e do tamanho do elemento, que se refere à área da superfície. É claro que um elemento de 10 x 10 cm2 é 4 vezes maior que um elemento de 5 x 5 cm2, portanto, produz 4 vezes mais corrente. A força da corrente também depende do comprimento de onda da luz e sua intensidade, e é diretamente proporcional à intensidade da radiação. Quanto mais brilhante a luz, mais corrente é gerada pela célula solar. Aumentando as características de saída das células solares Células solares seriam usadas muito raramente se operadas dentro dos parâmetros mencionados. Somente em alguns casos é necessária uma tensão tão baixa (0,5 V) para requisitos arbitrários para a quantidade de corrente consumida.
Felizmente, não há restrições aqui. As células solares podem ser conectadas em série e em paralelo para aumentar as características de saída. Vamos considerar as células solares como baterias comuns. Sabe-se que várias baterias são usadas para aumentar o brilho da lanterna. Em essência, quando as baterias são conectadas em série, a tensão total aumenta (Fig. 1). O mesmo pode ser feito com células solares. Conectando o terminal positivo de uma célula ao terminal negativo da outra, uma tensão de 1 V pode ser obtida de duas células. Da mesma forma, três células darão 1,5 V, quatro células 2 V e assim por diante. Teoricamente, a tensão desenvolvida por células solares conectadas em série, desde que haja um número suficiente delas, pode chegar a milhares de volts! Infelizmente, do ponto de vista do aumento da corrente de saída, a conexão em série tem uma desvantagem inerente. Quando as baterias são conectadas em série, a corrente de saída não excede o nível característico do pior elemento do circuito. Isso é verdade para todas as fontes de energia, sejam elas baterias, fontes de alimentação ou células solares. Isso significa que, para qualquer número de células solares de 2 ampères em um circuito, uma célula de 1 ampère determinará a corrente de saída total, ou seja, 1 A. Portanto, se você deseja obter o desempenho máximo, deve corresponder às correntes de todos os elementos do circuito. Ok, a tensão é clara. Mas como aumentar a corrente de saída de uma célula solar? Afinal, o sol brilha com certo brilho. A corrente de saída depende da área da superfície do elemento e, portanto, a maneira natural de aumentar a corrente é aumentar a área do elemento (ou elementos). Elementos? Exatamente!
Se pegarmos quatro elementos de 5x5 cm2 cada e os conectarmos em paralelo, conforme mostrado na fig. 2, é possível obter o mesmo resultado ao substituir quatro elementos por um tamanho de 10x10 cm2 (em ambos os casos, a área da superfície é a mesma e é de 100 cm2). Deve-se aprender que, com uma conexão paralela, apenas a magnitude da corrente aumenta, e não a tensão. Independentemente do número de elementos conectados em paralelo (4 ou 50), a tensão gerada não será superior a 0,5 V. baterias fotovoltaicas Você pode adivinhar o que será discutido. De fato, para aproveitar ambos os métodos de comutação, é possível combinar a conexão de elementos em série e em paralelo. Essa combinação é chamada de bateria. As baterias podem ser feitas em qualquer combinação desejada. A bateria mais simples é uma cadeia de células conectadas em série. Você também pode conectar cadeias de elementos em paralelo, elementos individuais em cadeias ou combiná-los em qualquer outra combinação. Na fig. 3 mostra apenas três exemplos de combinações possíveis.
As diferenças na natureza das conexões dos elementos na fig. 3, embora todos tenham as mesmas características de saída, são ditados por diferentes requisitos de confiabilidade. Na fig. 3, e três cadeias consecutivas de elementos são conectadas em paralelo. Este método é usado quando há uma alta probabilidade de curto-circuito de elementos individuais. Na fig. 3, b mostra um diagrama de uma conexão em série paralela de elementos. Com essa conexão, a falha de um dos elementos, por exemplo, devido ao aparecimento de uma rachadura, não leva à perda de toda a corrente devido à quebra da corrente. No último exemplo (Fig. 3, c), são considerados os dois casos com um mínimo de conexões. Outros tipos de conexões são possíveis, e sua escolha deve ser determinada pelas condições específicas de operação do seu dispositivo. Uma condição importante deve ser lembrada. Independentemente do vôo de sua imaginação, as cadeias de elementos conectados em paralelo devem necessariamente corresponder entre si em tensão. Você não pode conectar uma cadeia de 15 elementos e uma cadeia curta de 5 elementos em paralelo. Com esta conexão, a bateria não funcionará. polarização inversa Ao trabalhar com painéis solares, via de regra, eles se deparam com um fenômeno que não ocorre ao usar fontes de alimentação convencionais. Esse fenômeno está associado ao chamado viés reverso. Para entender o que é isso, vejamos a Fig. 4.
Esta figura mostra 8 elementos conectados em série. A tensão total de saída do circuito é de 4 V e o resistor RL está conectado como uma carga. Até agora tudo bem. Mas vamos escurecer a fotocélula D com um objeto opaco, como uma mão, e ver o que acontece. Você provavelmente acha que a tensão cairá para 3,5V, certo? Nada como isto! Uma célula solar que não produz energia elétrica é um elo com alta resistência interna, não um curto-circuito. O mesmo acontece quando a chave é aberta, mas essa chave não está totalmente aberta - uma pequena corrente flui por ela. Na maioria dos casos, a resistência efetiva de uma célula solar escurecida é muitas vezes maior que o valor do resistor de carga RL. Portanto, na prática, você pode considerar RL como um pedaço de fio conectando os terminais negativo e positivo. Isso significa que o elemento D agora executa a função de carregamento. O que os outros elementos fazem? Forneça energia a esta carga! Como resultado, o elemento D aquece e, se suficientemente aquecido, pode falhar (explodir). Como resultado, ficamos com uma bateria de uma cadeia serial com um elemento inativo - uma situação nada invejável.
Uma maneira eficaz de resolver esse problema é conectar diodos shunt a todos os elementos em paralelo, conforme mostrado na fig. 5. Os diodos são conectados de modo que, quando a célula solar estiver operando, eles sejam polarizados inversamente pela tensão da própria célula. Portanto, nenhuma corrente flui pelo diodo e a bateria funciona normalmente. Vamos supor agora que um dos elementos está sombreado. Nesse caso, o diodo acaba sendo polarizado diretamente e a corrente flui através dele para a carga, ignorando o elemento defeituoso. Obviamente, a tensão de saída de todo o circuito diminuirá em 0,5 V, mas a fonte da força autodestrutiva será eliminada. Um benefício adicional é que a bateria continua a funcionar normalmente. Sem diodos shunt, ele falharia completamente. Na prática, é impraticável desviar cada célula da bateria. Deve-se levar em consideração considerações econômicas e o uso de diodos shunt com base em uma compensação razoável entre confiabilidade e custo. Como regra, um diodo é usado para proteger 1/4 da bateria. Assim, apenas 4 diodos são necessários para toda a bateria. Nesse caso, o efeito de sombreamento resultará em uma redução de 25% (tolerável) na potência de saída. Cortando elementos em pedaços Nem sempre os elementos seriais correspondem exatamente ao seu plano. Embora eles tentem oferecer o máximo de opções possível, não há como atender a todos os pedidos. Felizmente, isso não é necessário. As células solares monocristalinas podem ser moldadas em qualquer formato desejado.
Você deve saber que este é o caso, porque as células solares monocristalinas são feitas de um único cristal grande. O átomo de silício tem quatro elétrons de valência e forma uma rede cristalina cúbica. Na fig. 6 mostra uma célula solar redonda típica com uma estrutura granular proeminente. Se uma força for aplicada a essa estrutura de elétrons fortemente ligados, uma rachadura aparecerá ao longo da linha de defeito. Isso é muito semelhante a uma rachadura que ocorre como resultado de um terremoto. A estrutura do cristal é conhecida e, portanto, a direção da trinca pode ser prevista. Se a força for aplicada à aresta mostrada na Fig. 6 da placa no ponto A, então as forças mecânicas que atuam dentro do cristal irão dividi-lo em duas metades. Agora, em vez de um elemento, existem dois. Digamos que seja necessário dividir tal elemento em quatro partes idênticas. Isso pode ser alcançado aplicando força primeiro ao longo da linha defeituosa vertical e depois ao longo da linha horizontal. Felizmente, isso pode ser feito ao mesmo tempo. A maioria dos elementos redondos de cristal único são marcados com uma cruz no centro. Se você pressionar neste ponto com uma faca de ponta cruzada, o elemento se dividirá em quatro pedaços perfeitos. Não se preocupe se você não acertar o centro exato. O elemento será dividido, mas não em partes iguais. O tamanho dos fragmentos será determinado pelo ponto de aplicação da força, mas todos serão divididos nos mesmos planos. As linhas de clivagem são sempre paralelas entre si e todas as interseções ocorrem em ângulos retos. Guiado por essas regras, você pode obter elementos de qualquer tamanho necessário. Ao tentar dividir um elemento pela primeira vez, você deve ser extremamente cuidadoso: você não pode trabalhar em uma superfície dura. Aplicando muita força a um elemento que está sobre uma superfície dura e plana, você só pode fazer um furo nele. Para criar tensão mecânica, é necessário que o elemento se dobre. Descobri que algumas folhas de papel (talvez papel de jornal) são suficientes para dividir um elemento. Somente elementos de cristal único podem ser divididos dessa maneira. Elementos policristalinos recentemente aparecidos (células wacker) não podem ser divididos simetricamente. Se você tentar fazer isso, a célula solar se quebrará em um milhão de pedaços. Um elemento policristalino é fácil de distinguir de um único cristal. Como resultado do processamento, o monocristal tem uma estrutura de superfície uniforme e lisa. O policristal se parece com o aço galvanizado com sua aparência superficial característica. Células solares de solda Depois que as células solares são selecionadas para o trabalho, é necessário soldá-las. Normalmente, temos à nossa disposição células solares seriais equipadas com grades coletoras de corrente e contatos traseiros, projetados para soldar condutores a elas. Durante a fabricação, os contatos geralmente são revestidos com solda contendo uma pequena quantidade de prata. A prata protege a ponta do ferro de solda da destruição e possível adesão de contatos de metal fino durante a soldagem. Lembre-se que as grades coletoras de corrente são tão frágeis quanto os condutores metálicos das placas de circuito impresso. Os fabricantes de células solares normalmente usam solda, fluxo e condutores especiais para as conexões. A solda contendo 2% de prata sempre pode ser comprada na loja. Em vez de resina, um fluxo regular à base de água deve ser usado para que possa ser facilmente lavado da superfície do elemento após a soldagem. A coisa mais difícil de encontrar é um condutor de fita plana, pois raramente está disponível para venda. No entanto, você pode fazer algo semelhante se pegar um pedaço de fio de cobre e achatar sua ponta com um martelo. Em vez disso, você pode usar folha de cobre ou apenas fio de cobre fino. O processo de soldagem em si não é difícil, mas deve ser feito rapidamente. A placa de silício é um dissipador de calor muito bom e, se você tocar o elemento com um ferro de solda por muito tempo, a ponta do ferro de solda esfriará abaixo da temperatura de fusão da solda. Primeiro você precisa estanhar o fio usando um pouco mais de solda do que o normal, mas não muito. A célula solar já é estanhada durante a fabricação. Para o trabalho, recomenda-se o uso de um ferro de solda com potência de 30 ou 40 watts. A ponta do ferro de solda deve estar limpa e quente. Enquanto o ferro de solda está aquecendo, o fluxo é aplicado ao elemento e o fio estanhado é pressionado contra a base de contato do elemento. Agora toque o ferro de solda quente na superfície do fio. É necessário que a junta seja "envolvida" com solda fundida e seja garantido um contato confiável do fio com o elemento. A soldagem é feita com um toque: você precisa trabalhar rapidamente, mas com cuidado. O contato traseiro é soldado da mesma maneira. Para obter uma cadeia sequencial de elementos, o contato frontal do primeiro elemento é conectado por um fio ao contato traseiro do segundo. Então, com outro pedaço de fio, o contato frontal do segundo é conectado à parte traseira do terceiro, etc. O contato frontal é o eletrodo negativo, enquanto o contato traseiro é o eletrodo positivo. Outro método amplamente utilizado é a conexão de elementos na forma de um telhado de telhas. Se você já viu um telhado de telhas, já teve a ideia. O contato frontal de um elemento é coberto por cima pelo contato traseiro do outro. O ponto de contato é aquecido com um ferro de solda e, assim, os dois elementos são conectados um ao outro. Tal conexão é mostrada na Fig. 7.
É necessário coletar algum excesso de solda na ponta para soldar os elementos com segurança. Tenha cuidado para não superaquecer o elemento, caso contrário não haverá contato algum. Desta forma, é melhor soldar pequenos elementos nos quais você pode aquecer simultaneamente toda a área de contato. É melhor usar uma ponta de ferro de solda retangular especial projetada para dessoldar circuitos integrados de placas de circuito impresso. Aquecimento e pressão uniformes serão a chave para o sucesso. Proteção da bateria Agora que a bateria está montada, é necessário protegê-la de danos mecânicos e intempéries. É melhor colocar os elementos voltados para baixo em uma folha limpa de vidro ou acrílico. O vidro de segurança é o preferido, seguido pelo vidro de janela temperado, plástico acrílico e vidro de janela normal em ordem decrescente de segurança. Um revestimento transparente protege a bateria contra danos mecânicos durante choques, torções e dobras. Mas não protege bem da umidade. Como você sabe, o silício é ligeiramente higroscópico; isto significa que absorve muito pouca água. Porém, após um longo período de tempo, ocorre uma diminuição gradativa nas características de saída do elemento devido à influência da umidade. Assim, a vida útil da bateria depende diretamente da qualidade do isolamento de umidade. O isolamento de umidade pode ser fornecido de várias maneiras. De acordo com um deles, o verso pode ser preenchido com borracha líquida. Para isso, é necessário fazer uma moldura ao redor do perímetro do vidro protetor para que o polímero líquido não transborde. Além disso, uma moldura forte protege bem o vidro protetor contra impactos laterais. Outro método envolve cobrir a parte traseira da bateria com uma folha grossa de plástico Mylar e aquecer toda a bateria, como com uma lâmpada incandescente, até que o Mylar derreta e adira à tampa protetora frontal. Esta operação requer alguma habilidade, especialmente no caso de baterias grandes. A capa traseira de mylar pode ser simplesmente colada. Essa operação geralmente é mais simples que o aquecimento, mas as propriedades isolantes se deterioram. Finalmente, a parte de trás das células da bateria pode ser coberta com várias camadas de látex. Não parece tão esteticamente agradável, mas oferece boas propriedades de impermeabilização. Por último, mas não menos importante, é a produção de uma caixa hermeticamente selada à prova de umidade para os elementos. É caro, mas fornece o isolamento de umidade necessário. Autor: Byers T.
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