Solarzelle

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Solarzelle

Eine Solarzelle (Abbildung 1) oder Photovoltaikzelle (früher als "Solarbatterie" bezeichnet) ist ein elektrisches Gerät, das die Energie des Lichts durch den Photovoltaikeffekt, der ein physikalisches und chemisches Phänomen darstellt, direkt in Elektrizität umwandelt. Es ist eine Form einer Fotozelle, definiert als ein Gerät, dessen elektrische Eigenschaften wie Strom, Spannung oder Widerstand variieren, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Solarzellen sind die Bausteine von Photovoltaikmodulen, auch Solarmodule genannt.

Abbildung 1 - Solarzelle

Anwendung: Als sichere und saubere erneuerbare Energie wird die Solarzelle als wichtige Energiequelle eingesetzt. Es wird in vielen Bereichen wie Heimanwendungen (Abbildung 2), Industrie, öffentliche Beleuchtung, Aufladen von Smartphones und Luft- und Raumfahrt (Abbildung 3) eingesetzt.

Abbildung 2 - Sonnenkollektoren, die zu Hause als Energiequelle verwendet werden


Abbildung 3 - Internationale Raumstation mit Sonnenkollektoren

Warum Solarzellen simulieren?

• Verbesserung der PV-Effizienz
• Optimierung für Designleistung und Zielzuverlässigkeit
• Reduzierung der Auswirkungen von Abweichungen auf die Systemleistung
• Vorhersage der Produktionsausbeuten
• Senkung der Produktionskosten

Beschreibung des Problems

Kontinuierliche Innovation macht Zellen komplexer (mehr Prozess- und geometrische Variablen - 3D-Effekte, komplexer Lichtweg usw.). Aus diesem Grund ist es unpraktisch, neue Zellen ohne Simulation zu entwerfen. Das EMS Electric Conduction Module bietet die Möglichkeit, Solarzellen zu simulieren und viele Experimente zu vermeiden, die zur Untersuchung des Entwurfsmodells erforderlich sind.

Das Modell ist eine einzelne Zelle eines Solarpanels (Abbildung 4). Die Zelle besteht aus einem Paar Aluminiumelektroden, die eine Siliziumzelle bedecken. Die obere Elektrode ist ein dünner, sich verjüngender Körper und hat ein elektrisches Potential von 0,6 V. Die untere Elektrode ist ein flaches Rechteck, das als Masse dient. Die Analyse konzentriert sich auf die Bestimmung des Spannungsabfalls über der Siliziumzelle und entlang des sich verjüngenden Endes der Frontelektrode (Abbildung 5). Das elektrische Feld und die Stromdichte sind die Hauptanalysepunkte.

Abbildung 4 - Simuliertes Modell einer Solarzelle


Abbildung 5 - Solarzellenbetrieb

Studie

Nach dem Erstellen einer elektrischen Leitung in EMS müssen immer vier wichtige Schritte befolgt werden: 1 - das richtige Material für alle festen Körper auftragen, 2- die erforderlichen Randbedingungen anwenden oder die sogenannten Lasten/Beschränkungen in EMS, 3 - das gesamte Netz ineinander greifen Modell und 4- Führen Sie den Solver aus. Beachten Sie, dass für die elektrische Leitungsanalyse keine Luft modelliert werden darf.

Materialien

Bei der elektrischen Leitungsanalyse von EMS wird nur die elektrische und thermische Leitfähigkeit (im Falle einer thermischen Kopplung) benötigt (Tabelle 1).

Tabelle 1 - Materialtabelle

Laden und Zurückhalten

In dieser Studie werden nur feste Spannungen angelegt

Tabelle 2 - Angewandte feste Spannung

Vernetzung

Das Vernetzen ist ein sehr wichtiger Schritt in der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netzverträglichkeit und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung kann eine kleinere Elementgröße erforderlich sein.
Die Netzqualität kann mithilfe der Netzsteuerung (Tabelle 3) angepasst werden, die auf feste Körper und Flächen angewendet werden kann. Unten (Abbildung 4) ist das vernetzte Modell nach Verwendung der Netzsteuerung dargestellt.

Tabelle 3 - Netzsteuerung

Abbildung 6 - Vernetztes Modell

Ergebnisse

Nach dem Ausführen der Simulation dieses Beispiels können wir viele Ergebnisse erhalten. Die elektrische Leitung von EMS wird zur Berechnung und Visualisierung des elektrischen Feldes (Abbildung 7,8), der Stromdichte (Abbildung 9,10) und des Potentials (Abbildung 11) verwendet. Eine ebenfalls generierte Ergebnistabelle enthält den Widerstand und die Verlustleistung.

EMS bieten die Möglichkeit vieler Arten von Grundstücken. Unten können wir Streifen-, Linien- und Vektordiagramme beobachten.

Abbildung 7 - Elektrisches Feld, Randdiagramm


Abbildung 8 - Elektrisches Feld, Liniendiagramm


Abbildung 9 - Aktuelle Dichte, Randdiagramm


Abbildung 10 - Aktuelle Dichte, Vektordiagramm


Abbildung 11 - Potenzial der Solarzelle

Fazit

Die Simulation mehrerer Studien mit unterschiedlichen Parametern unter Verwendung von EMS führt zur Optimierung der Solarzelle.