Convertirea efectivă a razelor libere ale soarelui în energie care poate fi folosită pentru alimentarea caselor și a altor facilități este visul prețuit al multor apologeți ai energiei verzi.
Dar principiul de funcționare al bateriei solare și eficiența acesteia sunt de așa natură încât nu este nevoie să vorbim încă despre eficiența ridicată a unor astfel de sisteme. Ar fi bine să aveți propria sursă suplimentară de energie electrică. Nu-i așa? Mai mult, chiar și astăzi în Rusia, cu ajutorul panourilor solare, un număr considerabil de gospodării private sunt alimentate cu succes cu energie electrică „gratuită”. Încă nu știi de unde să începi?
Mai jos vă vom spune despre designul și principiile de funcționare ale unui panou solar veți afla de ce depinde eficiența unui sistem solar; Și videoclipurile postate în articol vă vor ajuta să asamblați un panou solar din fotocelule cu propriile mâini.
Există destul de multe nuanțe și confuzii în tema „energiei solare”. Este adesea dificil pentru începători să înțeleagă toți termenii nefamiliari la început. Dar fără aceasta, este nerezonabil să te angajezi în energie solară, achiziționând echipamente pentru generarea de curent „solar”.
Fără să știți, puteți nu numai să alegeți panoul greșit, ci și pur și simplu să îl ardeți atunci când îl conectați sau să extrageți prea puțină energie din el.
Galerie de imagini
Rentabilitatea maximă de la un panou solar poate fi obținut doar știind cum funcționează, din ce componente și ansambluri constă și cum este conectat corect.
A doua nuanță este conceptul termenului „baterie solară”. De obicei, cuvântul „baterie” se referă la un fel de dispozitiv de stocare electric. Sau imi vine in minte un radiator de incalzire banal. Cu toate acestea, în cazul bateriilor solare situația este radical diferită. Ei nu acumulează nimic în sine.
Detalii Publicate 27.12.2019Dragi cititori! Echipa bibliotecii vă urează Un An Nou Fericit și Crăciun Fericit! Vă dorim sincer vouă și familiilor voastre fericire, iubire, sănătate, succes și bucurie!
Fie ca anul care vine să vă ofere prosperitate, înțelegere reciprocă, armonie și bună dispoziție.
Mult succes, prosperitate și împlinirea celor mai prețuite dorințe în noul an!
Testați accesul la EBS Ibooks.ru
Detalii Publicate 12.03.2019Dragi cititori! Până la 31 decembrie 2019, universitatea noastră a primit acces de testare la EBS Ibooks.ru, unde vă puteți familiariza cu orice carte în modul de citire text integral. Accesul este posibil de pe toate calculatoarele din rețeaua universității. Este necesară înregistrarea pentru a obține acces la distanță.
„Genrikh Osipovich Graftio - la 150 de ani de la nașterea sa”
Detalii Publicate 12.02.2019Dragi cititori! În secțiunea „Expoziții virtuale” există o nouă expoziție virtuală „Henrikh Osipovich Graftio”. Anul 2019 marchează 150 de ani de la nașterea lui Genrikh Osipovich, unul dintre fondatorii industriei hidroenergetice din țara noastră. Un om de știință encicloped, un inginer talentat și un organizator remarcabil, Genrikh Osipovich a adus o contribuție imensă la dezvoltarea energiei domestice.
Expoziția a fost pregătită de angajați ai departamentului de literatură științifică a bibliotecii. Expoziția prezintă lucrările lui Genrikh Osipovich din fondul de istorie LETI și publicații despre el.
Puteți viziona expoziția
Testați accesul la sistemul electronic de bibliotecă IPRbooks
Detalii Publicate 11.11.2019Dragi cititori! În perioada 8 noiembrie 2019 - 31 decembrie 2019, universitatea noastră a beneficiat de acces gratuit de testare la cea mai mare bază de date cu text integral din Rusia - Sistemul de bibliotecă electronică IPR BOOKS. EBS IPR BOOKS conține peste 130.000 de publicații, dintre care peste 50.000 sunt publicații educaționale și științifice unice. Pe platformă, aveți acces la cărți curente care nu pot fi găsite în domeniul public pe Internet.
Accesul este posibil de pe toate calculatoarele din rețeaua universității.
Pentru a obține acces la distanță, trebuie să contactați departamentul de resurse electronice (camera 1247) administrator VChZ Polina Yurievna Skleymova sau prin e-mail [email protected] cu tema „Înregistrarea în IPRbooks”.
Tipuri de convertoare fotoelectrice
Cele mai eficiente dispozitive pentru transformarea energiei solare în energie electrică (deoarece aceasta este o tranziție energetică directă, într-o singură etapă) sunt convertoarele fotovoltaice cu semiconductori (PVC). La o temperatură de echilibru caracteristică celulelor fotovoltaice de ordinul 300-350 Kelvin și T solar ~ 6000 K, eficiența lor teoretică maximă este >90%. Aceasta înseamnă că, ca urmare a optimizării structurii și parametrilor convertorului, menite să reducă pierderile ireversibile de energie, va fi destul de posibilă creșterea eficienței practice la 50% sau mai mult (în laboratoare, o eficiență de 40% a fost deja fost realizat).
Cercetările teoretice și dezvoltările practice în domeniul conversiei fotovoltaice a energiei solare au confirmat posibilitatea atingerii unor astfel de valori ridicate de eficiență cu celulele solare și au identificat principalele modalități de atingere a acestui obiectiv.
Conversia energiei în celulele fotovoltaice se bazează pe efectul fotovoltaic, care apare în structurile semiconductoare neomogene atunci când sunt expuse la radiația solară. Eterogenitatea structurii fotovoltaice poate fi obținută prin doparea aceluiași semiconductor cu impurități diferite (creând joncțiuni p-n) sau prin conectarea diferiților semiconductori cu benzi interzise inegale - energia de îndepărtare a electronilor din atom (crearea heterojoncțiilor), sau prin schimbarea substanței chimice. semiconductor de compoziție, ducând la apariția unui gradient al benzii interzise (crearea structurilor graded-gap). Sunt posibile și diferite combinații ale metodelor de mai sus. Eficiența de conversie depinde de caracteristicile electrice ale structurii semiconductoare neomogene, precum și de proprietățile optice ale celulei solare, printre care rolul cel mai important îl joacă fotoconductivitatea, cauzată de efectul fotoelectric intern în semiconductori la iradierea cu lumina solară. Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice poate fi explicat folosind exemplul convertoarelor cu joncțiuni p-n, care sunt utilizate pe scară largă în energia solară și spațială modernă. O joncțiune electron-gaură este creată prin doparea unei plăci de material semiconductor monocristal cu un anumit tip de conductivitate (adică de tip p sau n) cu o impuritate, asigurând crearea unui strat de suprafață cu conductivitate opusă tip.
Concentrația de dopant din acest strat trebuie să fie semnificativ mai mare decât concentrația de dopant din materialul de bază (monocristal original) pentru a neutraliza principalii purtători de sarcină liberi prezenți acolo și pentru a crea o conductivitate de semn opus. La limita straturilor n și p, ca urmare a fluxului de sarcină, se formează zone epuizate cu o sarcină pozitivă volumetrică necompensată în stratul n și o sarcină negativă volumetrică în stratul p. Aceste zone formează împreună o joncțiune p-n. Bariera de potențial (diferența de potențial de contact) care apare la tranziție împiedică trecerea purtătorilor de sarcină principali, adică. electroni din partea stratului p, dar permit liber purtătorilor minoritari să treacă în direcții opuse. Această proprietate a joncțiunilor p-n determină posibilitatea obținerii foto-emf la iradierea unei celule solare cu lumina solară. Purtătorii de sarcină neechilibrați (perechile electron-gaură) creați de lumină în ambele straturi ale celulei fotovoltaice sunt separați la joncțiunea p-n: purtătorii minoritari (adică electronii) trec liber prin joncțiune, iar purtătorii majoritari (găurile) sunt reținuți. Astfel, sub influența radiației solare, un curent de purtători de sarcină minoritari neechilibrați - fotoelectroni și fotogăuri - va curge prin joncțiunea p-n în ambele direcții, ceea ce este exact ceea ce este necesar pentru funcționarea celulei solare. Dacă închidem acum circuitul extern, atunci electronii din stratul n, după ce au lucrat la sarcină, se vor întoarce la stratul p și se vor recombina (se vor uni) cu găurile care se mișcă în interiorul celulei solare în direcția opusă. Pentru a colecta și elimina electronii într-un circuit extern, există un sistem de contact pe suprafața structurii semiconductoare a celulei solare. Pe suprafața frontală, iluminată a convertorului, contactele sunt realizate sub formă de grilă sau pieptene, iar în spate pot fi solide.
Principalele pierderi ireversibile de energie din celulele solare sunt asociate cu:
- reflectarea radiației solare de pe suprafața convertorului,
- trecerea unei părți a radiației prin celula fotovoltaică fără absorbție în ea,
- împrăștierea excesului de energie fotonică pe vibrațiile termice ale rețelei,
- recombinarea fotoperechilor formate pe suprafețele și în volumul celulei fotovoltaice,
- rezistența internă a convertorului,
- și alte câteva procese fizice.
Pentru a reduce toate tipurile de pierderi de energie în centralele solare, sunt dezvoltate și aplicate cu succes diverse măsuri. Acestea includ:
- utilizarea semiconductorilor cu benzi interzise optime pentru radiația solară;
- îmbunătățirea vizată a proprietăților structurii semiconductoare prin dopajul optim și crearea câmpurilor electrice încorporate;
- trecerea de la structuri semiconductoare omogene la eterogene și gradate-gap;
- optimizarea parametrilor de proiectare PV (adâncimea joncțiunii pn, grosimea stratului de bază, frecvența grilei de contact etc.);
- utilizarea de acoperiri optice multifunctionale care asigura antireflexie, reglare termica si protectie celulelor solare de radiatiile cosmice;
- dezvoltarea celulelor solare care sunt transparente în regiunea undelor lungi a spectrului solar dincolo de marginea benzii principale de absorbție;
- crearea de celule fotovoltaice în cascadă din semiconductori special selectați pentru lățimea lor bandgap, făcând posibilă convertirea în fiecare cascadă a radiației care a trecut prin cascada anterioară etc.;
De asemenea, s-a realizat o creștere semnificativă a eficienței celulelor solare prin crearea de convertoare cu sensibilitate dublă fețe (până la +80% din eficiența existentă a unei laturi), utilizarea structurilor reemițătoare luminiscente și prealabil. descompunerea spectrului solar în două sau mai multe regiuni spectrale folosind divizoare de fascicul de film multistrat (oglinzi dicroice) cu transformarea ulterioară a fiecărei părți a spectrului de către o celulă fotovoltaică separată etc.
În sistemele de conversie a energiei ale centralelor solare (centrale solare), în principiu, pot fi utilizate orice tipuri de celule solare de diferite structuri bazate pe diverse materiale semiconductoare care au fost create și sunt în curs de dezvoltare, dar nu toate satisfac set de cerințe pentru aceste sisteme:
- fiabilitate ridicată cu o durată de viață lungă (zeci de ani!);
- disponibilitatea materialelor sursă în cantități suficiente pentru fabricarea elementelor sistemului de conversie și posibilitatea organizării producției în masă a acestora;
- costurile de energie pentru crearea unui sistem de conversie care sunt acceptabile din punct de vedere al perioadelor de rambursare;
- costuri minime de energie și masă asociate gestionării sistemului de conversie și transport de energie (spațiu), inclusiv orientarea și stabilizarea stației în ansamblu;
- ușurința întreținerii.
De exemplu, unele materiale promițătoare sunt greu de obținut în cantitățile necesare pentru realizarea centralelor solare din cauza rezervelor naturale limitate de materii prime și a complexității prelucrării acestora. Anumite metode de îmbunătățire a caracteristicilor energetice și operaționale ale celulelor solare, de exemplu, prin crearea de structuri complexe, sunt slab compatibile cu posibilitățile de organizare a producției lor în masă la costuri reduse etc. Productivitatea ridicată poate fi atinsă numai prin organizarea producției fotovoltaice complet automatizate, de exemplu, bazată pe tehnologia bandă, și crearea unei rețele dezvoltate de întreprinderi specializate de profil adecvat, de exemplu. de fapt, o întreagă industrie, comparabilă ca amploare cu industria radio-electronică modernă. Producția de celule solare și asamblarea panourilor solare pe linii automate va reduce costul modulului bateriei de 2-2,5 ori.
Siliciul și arseniura de galiu (GaAs) sunt considerate în prezent drept cele mai probabile materiale pentru sistemele fotovoltaice pentru transformarea energiei solare în SES, iar în acest din urmă caz vorbim de heterofotoconvertoare (HPC) cu structură AlGaAs-GaAs.
FEC-urile (convertoare fotovoltaice) bazate pe un compus de arsen cu galiu (GaAs), după cum se știe, au o eficiență teoretică mai mare decât FEC-urile cu siliciu, deoarece lățimea bandgap-ului lor coincide practic cu lățimea bandgap-ului optimă pentru convertoarele de energie solară cu semiconductor =1,4 eV. Pentru siliciu, acest indicator = 1,1 eV.
Datorită nivelului mai ridicat de absorbție a radiației solare, determinat de tranzițiile optice directe în GaAs, celulele fotovoltaice de înaltă eficiență pe baza acestora pot fi obținute cu o grosime semnificativ mai mică a celulei fotovoltaice comparativ cu siliciul. În principiu, este suficient să aveți o grosime GFP de 5-6 microni pentru a obține o eficiență de ordinul a cel puțin 20%, în timp ce grosimea elementelor din siliciu nu poate fi mai mică de 50-100 microni fără o scădere vizibilă a eficienței acestora. . Această împrejurare ne permite să contam pe crearea de HFP-uri de film ușoare, a căror producție va necesita relativ puțin material de pornire, mai ales dacă este posibil să folosim nu GaAs ca substrat, ci un alt material, de exemplu, safir sintetic (Al2 O3). ).
GFC-urile au, de asemenea, caracteristici operaționale mai favorabile în ceea ce privește cerințele pentru convertoarele SES în comparație cu celulele fotovoltaice cu siliciu. Astfel, în special, posibilitatea de a obține valori inițiale mici ale curenților de saturație inversă în joncțiunile p-n datorită benzii interzise mari face posibilă reducerea la minimum a mărimii gradienților negativi de temperatură de eficiență și putere optimă a HFP și, în plus , extind semnificativ regiunea dependenței liniare a acestuia din urmă de densitatea fluxului luminos. Dependența experimentală a eficienței HFP-urilor de temperatură indică faptul că creșterea temperaturii de echilibru a acestora din urmă la 150-180°C nu duce la o scădere semnificativă a eficienței lor și a puterii specifice optime. În același timp, pentru celulele solare cu siliciu, o creștere a temperaturii peste 60-70°C este aproape critică - eficiența scade la jumătate.
Datorită rezistenței lor la temperaturi ridicate, celulele solare cu arseniură de galiu pot fi folosite ca concentratoare de radiație solară. Temperatura de funcționare a HFP pe bază de GaAs ajunge la 180 °C, ceea ce este deja destul de temperatură de funcționare pentru motoarele termice și turbinele cu abur. Astfel, la eficiența intrinsecă de 30% a HFP-urilor de arseniură de galiu (la 150°C), se poate adăuga eficiența unui motor termic folosind căldura reziduală a lichidului care răcește fotocelulele. Prin urmare, eficiența generală a instalației, care utilizează și al treilea ciclu de extracție a căldurii la temperatură joasă din lichidul de răcire după turbină pentru încălzirea spațiului, poate fi chiar mai mare de 50-60%.
De asemenea, HFC-urile pe bază de GaAs sunt mult mai puțin susceptibile la distrugere prin fluxuri de protoni și electroni de înaltă energie decât FEC-urile de siliciu datorită nivelului ridicat de absorbție a luminii în GaAs, precum și duratei de viață și difuziei mici necesare purtătorilor minoritari. Mai mult, experimentele au arătat că o parte semnificativă a defectelor de radiație ale HFP-urilor pe bază de GaAs dispar după tratamentul termic (recoace) la o temperatură de aproximativ 150-180 °C. Dacă HFC-urile GaAs funcționează în mod constant la o temperatură de ordinul a 150°C, atunci gradul de degradare prin radiație a eficienței lor va fi relativ mic pe toată perioada de funcționare activă a stațiilor (acest lucru este valabil mai ales pentru centralele solare spațiale, pentru care greutatea și dimensiunea reduse ale FEC și randamentul ridicat sunt importante) .
În general, putem concluziona că energia, masa și caracteristicile operaționale ale HFC-urilor pe bază de GaAs sunt mai conforme cu cerințele SES și SCES (spațiu) decât cu caracteristicile FEC-urilor de siliciu. Cu toate acestea, siliciul este un material mult mai accesibil și utilizat pe scară largă decât arseniura de galiu. Siliciul este larg răspândit în natură, iar furnizarea de materii prime pentru crearea celulelor solare pe baza acestuia este aproape nelimitată. Tehnologia de fabricare a celulelor solare cu siliciu este bine stabilită și este în mod constant îmbunătățită. Există o perspectivă reală de reducere a costului celulelor solare cu siliciu cu unul până la două ordine de mărime odată cu introducerea de noi metode de producție automatizate, care fac posibilă, în special, producerea de benzi de siliciu, celule solare de suprafață mare etc.
Prețurile bateriilor fotovoltaice cu siliciu au scăzut pe parcursul a 25 de ani de 20-30 de ori de la 70-100 de dolari/watt în anii șaptezeci până la 3,5 dolari/watt în 2000 și continuă să scadă în continuare. În Occident, se așteaptă o revoluție în sectorul energetic atunci când prețurile depășesc pragul de 3 dolari. Potrivit unor calcule, acest lucru s-ar putea întâmpla încă din 2002, iar pentru Rusia, cu tarifele actuale la energie, acest moment va veni la un preț de 1 watt de energie solară de 0,3-0,5 dolari, adică la un ordin de mărime mai mic. Preț. Toți factorii luați împreună joacă un rol aici: tarifele, clima, latitudinile geografice și capacitatea statului de a stabili prețuri reale și de a face investiții pe termen lung. În structurile reale cu heterojoncțiuni, eficiența ajunge astăzi la peste 30%, iar în semiconductori omogene, cum ar fi siliciul monocristalin - până la 18%. Eficiența medie a celulelor solare pe bază de siliciu monocristalin este astăzi de aproximativ 12%, deși ajunge la 18%. Este vorba în principal de SB din siliciu care pot fi văzute astăzi pe acoperișurile caselor din întreaga lume.
Spre deosebire de siliciu, galiul este un material foarte rar, ceea ce limitează posibilitatea de a produce HFP pe bază de GaAs în cantitățile necesare pentru implementarea pe scară largă.
Galiul este extras în principal din bauxită, dar se ia în considerare și posibilitatea obținerii lui din cenușă de cărbune și apă de mare. Cele mai mari rezerve de galiu se găsesc în apa de mare, dar concentrația acolo este foarte scăzută, randamentul de recuperare este estimat la doar 1% și, prin urmare, costurile de producție sunt susceptibile de a fi prohibitive. Tehnologia pentru producerea de HFP pe bază de GaAs folosind metode de epitaxie lichidă și gazoasă (creșterea orientată a unui singur cristal pe suprafața altuia (pe un substrat)) nu a fost încă dezvoltată în aceeași măsură ca tehnologia pentru producerea de siliciu PVS și, ca urmare, costul HFP-urilor este acum semnificativ mai mare (după comenzi) față de costul celulelor solare cu siliciu.
În navele spațiale, unde principala sursă de curent sunt panourile solare și unde sunt foarte importante rapoarte clare de masă, dimensiune și eficiență, principalul material pentru soare. Bateria, desigur, este arseniură de galiu. Capacitatea acestui compus din celulele solare de a nu-și pierde eficiența atunci când este încălzit cu radiația solară concentrată de 3-5 ori este foarte importantă pentru centralele solare spațiale, ceea ce reduce în consecință nevoia de galiu limitat. O rezervă suplimentară pentru economisirea galiului este asociată cu utilizarea safirului sintetic (Al2O3) mai degrabă decât GaAs ca substrat HFP.
Costul HFP-urilor în timpul producției lor în masă bazate pe tehnologie îmbunătățită va fi probabil redus semnificativ și, în general, costul sistemului de conversie al unui sistem de conversie a puterii SES bazat pe HFP GaAs poate fi destul de comparabil cu costul unui siliciu. sistem bazat. Astfel, în prezent, este dificil să acordăm o preferință clară unuia dintre cele două materiale semiconductoare luate în considerare - siliciu sau arseniura de galiu, și numai dezvoltarea ulterioară a tehnologiei lor de producție va arăta care opțiune va fi mai rațională pentru terestre și spațiale. pe bază de energie solară. În măsura în care SB-urile produc curent continuu, se pune sarcina de a-l transforma în curent alternativ industrial 50 Hz, 220 V. O clasă specială de dispozitive - invertoare - face față perfect acestei sarcini.
Calculul sistemului fotovoltaic.
Energia celulelor solare poate fi folosită în același mod ca și energia altor surse de energie, cu diferența că celulele solare nu se tem de scurtcircuite. Fiecare dintre ele este conceput pentru a menține o anumită cantitate de curent la o anumită tensiune. Dar, spre deosebire de alte surse actuale, caracteristicile unei celule solare depind de cantitatea de lumină incidentă pe suprafața sa. De exemplu, un nor de intrare poate reduce puterea de ieșire cu mai mult de 50%. În plus, abaterile în condițiile tehnologice implică o împrăștiere a parametrilor de ieșire ai elementelor dintr-un lot. In consecinta, dorinta de a asigura eficienta maxima a convertoarelor fotovoltaice duce la necesitatea sortarii celulelor dupa curentul de iesire. Ca exemplu clar de „o oaie proastă care strica toată turma”, pot fi citate următoarele: introduceți o secțiune de țeavă cu un diametru mult mai mic într-o rupere a unei conducte de apă cu diametru mare, ca rezultat, curgerea apei; scade brusc. Ceva similar se întâmplă într-un lanț de celule solare cu parametri de ieșire eterogene.
Celulele solare din siliciu sunt dispozitive neliniare și comportamentul lor nu poate fi descris printr-o formulă simplă precum legea lui Ohm. În schimb, pentru a explica caracteristicile unui element, puteți folosi o familie de curbe ușor de înțeles - caracteristici curent-tensiune (CVC)
Tensiunea în circuit deschis generată de un element variază ușor de la un element la altul din același lot și de la un producător la altul și este de aproximativ 0,6 V. Această valoare nu depinde de dimensiunea elementului. Situația este diferită cu curentul. Depinde de intensitatea luminii și de dimensiunea elementului, care se referă la suprafața acestuia.
Un element care măsoară 100-100 mm este de 100 de ori mai mare decât un element care măsoară 10-10 mm și, prin urmare, sub aceeași iluminare, va produce un curent de 100 de ori mai mare.
Prin încărcarea elementului, puteți reprezenta grafic dependența puterii de ieșire de tensiune, obținând ceva similar cu cel prezentat în Fig. 2
Puterea de vârf corespunde unei tensiuni de aproximativ 0,47 V. Astfel, pentru a evalua corect calitatea celulei solare, precum și pentru a compara elementele între ele în aceleași condiții, este necesar să o încărcați astfel că tensiunea de ieșire este egală cu 0,47 V. După solar, elementele sunt selectate pentru lucrare, acestea trebuie să fie lipite. Elementele seriale sunt echipate cu rețele de colectare a curentului, care sunt proiectate pentru lipirea conductorilor la ele.
Bateriile pot fi aranjate în orice combinație dorită. Cea mai simplă baterie este un lanț de elemente conectate în serie. De asemenea, puteți conecta lanțuri în paralel, rezultând o așa-numită conexiune serie-paralel.
Un punct important în funcționarea celulelor solare este regimul de temperatură al acestora. Când elementul este încălzit cu un grad peste 25°C, pierde 0,002 V în tensiune, adică. 0,4%/grad. Figura 3 prezintă o familie de curbe caracteristice curent-tensiune pentru temperaturi de 25°C și 60°C.
Într-o zi însorită strălucitoare, elementele se încălzesc până la 60-70°C, pierzând 0,07-0,09 V fiecare. Acesta este principalul motiv pentru scăderea eficienței celulelor solare, ducând la o scădere a tensiunii generate de element. Eficiența unei celule solare convenționale variază în prezent între 10-16%. Aceasta înseamnă că un element care măsoară 100-100 mm în condiții standard poate genera 1-1,6 W.
Toate sistemele fotovoltaice pot fi împărțite în două tipuri: autonome și conectate la rețeaua electrică. Stațiile de al doilea tip eliberează excesul de energie în rețea, care servește drept rezervă în cazul unui deficit intern de energie.
Un sistem autonom constă în general dintr-un set de module solare amplasate pe o structură de susținere sau pe acoperiș, o baterie, un controler de încărcare/descărcare a bateriei și cabluri de conectare. Modulele solare sunt componenta principală pentru construirea sistemelor fotovoltaice. Ele pot fi fabricate cu orice tensiune de ieșire.
După ce celulele solare sunt selectate, acestea trebuie să fie lipite. Elementele în serie sunt echipate cu rețele de colectare a curentului pentru lipirea conductorilor la ele. Bateriile pot fi fabricate în orice combinație.
Cea mai simplă baterie este un lanț de elemente conectate în serie.
Puteți conecta aceste lanțuri în paralel, obținând o așa-numită conexiune serie-paralel. În paralel, pot fi conectate numai lanțuri (linii) cu tensiune identică, iar curenții lor sunt însumați conform legii lui Kirchhoff.
Pentru utilizare terestră, acestea sunt de obicei folosite pentru a încărca bateriile cu o tensiune nominală de 12 V. În acest caz, de regulă, 36 de celule solare sunt conectate în serie și sigilate prin laminare pe sticlă, PCB sau aluminiu. Elementele sunt situate între două straturi de folie de etanșare, fără un spațiu de aer. Tehnologia de laminare în vid vă permite să îndepliniți această cerință. În cazul unui spațiu de aer între geamul de protecție și element, pierderile de reflexie și absorbție ar ajunge la 20-30% față de 12% fără un spațiu de aer.
Parametrii electrici ai unei celule solare sunt prezentați, precum și o celulă solară individuală sub forma unei curbe curent-tensiune în condiții standard (Standard Test Conditions), adică cu radiație solară de 1000 W/m2, temperatură - 25 ° C și spectrul solar la o latitudine de 45 ° (AM1.5) .
Punctul de intersecție al curbei cu axa tensiunii se numește tensiune fără sarcină - Uxx, punctul de intersecție cu axa curentului se numește curent de scurtcircuit Is.
Puterea maximă a modulului este definită ca fiind cea mai mare putere în condițiile STC (Standard Test Conditions). Tensiunea corespunzătoare puterii maxime se numește tensiunea de putere maximă (tensiune de funcționare - Up), iar curentul corespunzător se numește curent de putere maximă (curent de funcționare - Ip).
Tensiunea de funcționare pentru un modul format din 36 de elemente va fi astfel de aproximativ 16...17 V (0,45...0,47 V per element) la 25o C.
Această marjă de tensiune în comparație cu tensiunea unei încărcări complete a bateriei (14,4 V) este necesară pentru a compensa pierderile în controlerul de încărcare-descărcare a bateriei (care vor fi discutate mai târziu), și în principal - o scădere a tensiunii de funcționare a modul atunci când modulul este încălzit prin radiație: coeficientul de temperatură pentru siliciu este de aproximativ minus 0,4%/grad (0,002 V/grad pentru un element).
Trebuie remarcat faptul că tensiunea în circuit deschis a modulului depinde puțin de iluminare, în timp ce curentul de scurtcircuit și, în consecință, curentul de funcționare, este direct proporțional cu iluminarea.
Astfel, atunci când sunt încălzite în condiții reale de funcționare, modulele se încălzesc până la o temperatură de 60-70°C, ceea ce corespunde unei schimbări în punctul de tensiune de funcționare, de exemplu, pentru un modul cu o tensiune de funcționare de 17 V - de la 17 V la 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V per element).
Pe baza tuturor celor de mai sus, este necesar să se abordeze calculul numărului de elemente conectate în serie ale modulului Dacă consumatorul trebuie să aibă tensiune alternativă, la aceasta se adaugă un invertor-convertor de tensiune continuă la tensiune alternativă. trusa.
Calculul FES înseamnă determinarea puterii nominale a modulelor, numărul acestora, schema de conectare; selectarea tipului, condițiilor de funcționare și a capacității bateriei; puterea invertorului și a controlerului de încărcare-descărcare; determinarea parametrilor cablului de conectare.
În primul rând, este necesar să se determine puterea totală a tuturor consumatorilor conectați simultan. Puterea fiecăruia dintre ele este măsurată în wați și este indicată în fișele tehnice ale produsului. În această etapă, puteți selecta deja puterea invertorului, care ar trebui să fie de nu mai puțin de 1,25 ori mai mare decât cea calculată. Trebuie avut în vedere că un astfel de dispozitiv viclean precum un frigider cu compresor în momentul pornirii consumă energie de 7 ori mai mult decât puterea nominală.
Gama nominală a invertoarelor este 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Pentru stațiile puternice (mai mult de 1 kW), tensiunea stației este selectată de cel puțin 48 V, deoarece La puteri mai mari, invertoarele funcționează mai bine cu tensiuni inițiale mai mari.
Următoarea etapă este determinarea capacității bateriei. Capacitatea bateriei este selectată dintr-o gamă standard de capacități, rotunjite la o parte mai mare decât cea calculată. Iar capacitatea calculată se obține prin simpla împărțire a puterii totale a consumatorilor la produsul dintre tensiunea bateriei și adâncimea de descărcare a bateriei în fracții.
De exemplu, dacă puterea totală a consumatorilor este de 1000 Wh pe zi, iar adâncimea de descărcare admisă a unei baterii de 12 V este de 50%, atunci capacitatea calculată va fi:
1000 / (12 x 0,5) = 167 Ah
Atunci când se calculează capacitatea bateriei într-un mod complet autonom, este necesar să se țină cont de prezența zilelor înnorate în natură în care bateria trebuie să asigure funcționarea consumatorilor.
Ultima etapă este determinarea puterii totale și a numărului de module solare. Calculul va necesita valoarea radiației solare, care este luată în perioada de funcționare a stației, când radiația solară este minimă. În cazul utilizării pe tot parcursul anului, acesta este decembrie.
Secțiunea „Meteorologie” oferă valori lunare și totale anuale ale radiației solare pentru principalele regiuni ale Rusiei, precum și gradații în funcție de diferite orientări ale planului de recepție a luminii.
Luând de acolo valoarea radiației solare pentru perioada care ne interesează și împărțind-o la 1000, obținem așa-numitul număr de pico-ore, adică timpul condiționat în care soarele strălucește cu o intensitate de 1000 W/ m2.
De exemplu, pentru latitudinea Moscovei și luna iulie, valoarea radiației solare este de 167 kWh/m2 când amplasamentul este orientat spre sud la un unghi de 40° față de orizont. Aceasta înseamnă că în medie soarele strălucește în iulie timp de 167 de ore (5,5 ore pe zi) cu o intensitate de 1000 W/m2, deși iluminarea maximă la amiază pe o zonă orientată perpendicular pe fluxul luminos nu depășește 700-750 W. /m2.
Modulul cu putere Pw în perioada selectată va genera următoarea cantitate de energie: W = k Pw E / 1000, unde E este valoarea insolației pentru perioada selectată, coeficient k egal cu 0,5 vara și 0,7 iarna.
Acest coeficient corectează pierderea de putere a celulelor solare atunci când sunt încălzite la soare și, de asemenea, ia în considerare incidența înclinată a razelor pe suprafața modulelor în timpul zilei.
Diferența de valoare iarna și vara se datorează încălzirii mai puține a elementelor iarna.
Pe baza puterii totale a energiei consumate și a formulei de mai sus, este ușor de calculat puterea totală a modulelor. Și știind asta, pur și simplu împărțind-o la puterea unui modul, obținem numărul de module.
La crearea unei centrale solare, se recomandă insistent să reduceți cât mai mult posibil puterea consumatorilor. De exemplu, utilizați (dacă este posibil) numai lămpi fluorescente ca iluminatoare. Astfel de lămpi, cu un consum de 5 ori mai mic, asigură un flux luminos echivalent cu fluxul luminos al unei lămpi cu incandescență.
Pentru sistemele fotovoltaice mici, este recomandabil să instalați modulele pe un suport rotativ pentru o rotație optimă în raport cu razele incidente. Aceasta va crește capacitatea stației cu 20-30%.
Câteva despre invertoare.
Invertoarele sau convertoarele de curent continuu în curent alternativ sunt proiectate pentru a furniza o alimentare de înaltă calitate pentru diferite echipamente și dispozitive în condiții de absență sau de slabă calitate a unei rețele de alimentare cu curent alternativ cu o frecvență de 50 Hz și o tensiune de 220 V, diverse situații de urgență etc.
Invertorul este un convertor de impulsuri de curent continuu cu o tensiune de 12 (24, 48, 60) V în curent alternativ cu o tensiune stabilizată de 220 V cu o frecvență de 50 Hz. Majoritatea invertoarelor au la iesire o tensiune SINEUSOIDALA STABILIZATA, ceea ce le permite sa fie folosite pentru a alimenta aproape orice echipament si dispozitive.
Din punct de vedere structural, invertorul este realizat sub forma unei unități desktop. Pe panoul frontal al invertorului există un comutator de funcționare a produsului și un indicator de funcționare a convertorului. Pe panoul din spate al produsului există pini (terminale) pentru conectarea unei surse de curent continuu, de exemplu, o baterie, un știft de împământare pentru carcasa invertorului, o gaură cu un suport de ventilator (răcire) și o priză Euro cu trei poli. pentru conectarea sarcinii.
Tensiunea stabilizată la ieșirea invertorului vă permite să furnizați o sursă de alimentare de înaltă calitate sarcinii atunci când tensiunea de intrare se modifică/fluctuează, de exemplu, când bateria este descărcată sau fluctuațiile curentului consumat de sarcină. Izolarea galvanică garantată a sursei de curent continuu la intrare și a circuitului de curent alternativ cu sarcina la ieșirea invertorului vă permite să nu luați măsuri suplimentare pentru a asigura siguranța în funcționare atunci când utilizați diverse surse de curent continuu sau orice echipament electric. Răcirea forțată a părții de putere și nivelul scăzut de zgomot în timpul funcționării invertorului fac posibilă, pe de o parte, asigurarea unor caracteristici bune de greutate și dimensiune a produsului, pe de altă parte, cu acest tip de răcire nu creează inconveniente. în timpul funcționării sub formă de zgomot.
- Panou de control încorporat cu afișaj electronic
- Potențiometru de capacitate care permite reglaje precise
- Bandă normalizată cu conexiune pin: WE WY STEROW
- Frânare în marșarier încorporată
- Radiator cu ventilator
- Fixare estetică
- Alimentare 230 V - 400 V
- Supraîncărcare 150% - 60s
- Timp de accelerare 0,01...1000 secunde
- Filtru electric incorporat, clasa A
- Temperatura de funcționare: -5°C - până la +45°C
- Port RS 485
- Reglarea treptei de frecvență: 0,01 Hz - 1 kHz
- Clasa de protectie IP 20
Functional asigura: cresterea, scaderea frecventei, controlul suprasarcinii, supraincalzirii.
Cele mai multe tipuri de energie regenerabilă - hidroenergie, energie mecanică și termică din oceanele lumii, energie eoliană și geotermală - sunt caracterizate fie de un potențial limitat, fie de dificultăți semnificative în utilizarea pe scară largă. Potențialul total al majorității surselor de energie regenerabilă va crește consumul de energie de la nivelurile actuale doar cu un ordin de mărime. Dar există o altă sursă de energie - Soarele. Soarele, o stea din clasa spectrală 2, o pitică galbenă, este o stea foarte medie în toți principalii săi parametri: masă, rază, temperatură și magnitudine absolută. Dar această stea are o caracteristică unică - este „steaua noastră”, iar omenirea își datorează întreaga existență acestei stele obișnuite. Steaua noastră furnizează Pământului o putere de aproximativ 10 17 W - aceasta este puterea „iepurașului soarelui” cu un diametru de 12,7 mii km, care luminează constant partea planetei noastre îndreptată spre Soare. Intensitatea luminii solare la nivelul mării la latitudinile sudice, când Soarele se află la zenit, este de 1 kW/m2. Prin dezvoltarea unor metode foarte eficiente de conversie a energiei solare, Soarele poate asigura nevoile de energie în creștere rapidă timp de multe sute de ani.
Argumentele oponenților utilizării pe scară largă a energiei solare se rezumă în principal la următoarele argumente:
1. Puterea specifică a radiației solare este mică, iar conversia la scară largă a energiei solare va necesita suprafețe foarte mari.
2. Transformarea energiei solare este foarte costisitoare și necesită costuri aproape nerealiste cu materiale și forță de muncă.
Într-adevăr, cât de mare va fi suprafața Pământului acoperită de sistemele convertoare pentru a produce o pondere semnificativă a energiei electrice în bugetul energetic global? Evident, această zonă depinde de eficiența sistemelor convertoare utilizate. Pentru a evalua eficiența convertoarelor fotovoltaice care convertesc direct energia solară în energie electrică folosind fotocelule semiconductoare, introducem conceptul de coeficient de performanță (eficiență) al unei celule foto, definit ca raportul dintre puterea electrică generată de un element dat și puterea unui raz de soare incident pe suprafața fotocelulei. Astfel, cu o eficiență a convertoarelor solare egală cu 10% (valori tipice de eficiență pentru fotocelulele de siliciu, utilizate pe scară largă în producția industrială în serie pentru nevoile de energie de la sol), pentru a produce 10 12 W de energie electrică ar fi necesar să acoperiți o suprafață de 4 * 10 10 m 2 cu fotoconvertitoare egale cu pătratul cu latura de 200 km. În acest caz, intensitatea radiației solare este considerată a fi de 250 W/m2, ceea ce corespunde valorii medii tipice pe tot parcursul anului pentru latitudinile sudice. Adică, „densitatea scăzută” a radiației solare nu este un obstacol în calea dezvoltării energiei solare la scară largă.
Considerațiile de mai sus sunt un argument destul de convingător: problema conversiei energiei solare trebuie rezolvată astăzi pentru a putea folosi această energie mâine. Se poate considera cel puțin în glumă această problemă în cadrul rezolvării problemelor energetice ale fuziunii termonucleare controlate, atunci când un reactor eficient (Soarele) este creat de natura însăși și oferă o resursă pentru o funcționare fiabilă și sigură timp de multe milioane de ani, iar sarcina este doar dezvoltarea unei substații de conversie la sol. Recent, în lume au fost efectuate cercetări ample în domeniul energiei solare, care au arătat că în viitorul apropiat această metodă de generare a energiei poate deveni justificată economic și poate găsi o largă aplicație.
Rusia este bogată în resurse naturale. Avem rezerve semnificative de combustibili fosili - cărbune, petrol, gaze. Cu toate acestea, utilizarea energiei solare este de mare importanță pentru țara noastră. În ciuda faptului că o parte semnificativă a teritoriului Rusiei se află la latitudini înalte, unele regiuni sudice foarte mari ale țării noastre au un climat foarte favorabil pentru utilizarea pe scară largă a energiei solare.
Utilizarea energiei solare are perspective și mai mari în țările din centura ecuatorială a Pământului și zonele apropiate acestei centuri, caracterizate printr-un nivel ridicat de energie solară. Astfel, într-o serie de regiuni din Asia Centrală, durata iradierii solare directe ajunge la 3000 de ore pe an, iar sosirea anuală a energiei solare pe o suprafață orizontală este de 1500 - 1850 kW o oră/m2.
Principalele direcții de lucru în domeniul conversiei energiei solare sunt în prezent:
— încălzire termică directă (primirea energiei termice) și conversia termodinamică (primirea energiei electrice cu conversia intermediară a energiei solare în căldură);
— conversia fotoelectrică a energiei solare.
Încălzirea termică directă este cea mai simplă metodă de conversie a energiei solare și este utilizată pe scară largă în regiunile sudice ale Rusiei și în țările ecuatoriale în instalațiile de încălzire solară, alimentarea cu apă caldă, răcirea clădirilor, desalinizarea apei etc. Baza instalațiilor solare care utilizează căldură sunt colectoarele solare plate - absorbanții de radiație solară. Apa sau alt lichid, fiind în contact cu absorbantul, este încălzit și îndepărtat din acesta cu ajutorul unei pompe sau cu circulație naturală. Lichidul încălzit intră apoi în depozit, de unde este consumat la nevoie. Acest dispozitiv amintește de sistemele de alimentare cu apă caldă menajeră.
Electricitatea este cel mai convenabil tip de energie de utilizat și transmis. Prin urmare, este de înțeles interesul cercetătorilor pentru dezvoltarea și crearea de centrale solare care utilizează conversia intermediară a energiei solare în căldură cu conversia ulterioară a acesteia în energie electrică.
În lume, cele mai răspândite centrale termice solare sunt de două tipuri: 1) tip turn cu concentrația de energie solară pe un singur receptor solar, realizată folosind un număr mare de oglinzi plate; 2) sisteme dispersate de paraboloizi și cilindri parabolici, în centrul cărora se află receptoarele termice și convertoarele de putere redusă.
2. DEZVOLTAREA ENERGIEI SOLARE
La sfârșitul anilor 70 și începutul anilor 80, șapte centrale solare pilot (SPP) de așa-numitul tip turn cu un nivel de putere de 0,5 până la 10 MW au fost construite în diferite țări ale lumii. Cea mai mare centrală solară cu o capacitate de 10 MW (Solar One) a fost construită în California. Toate aceste centrale solare sunt construite pe același principiu: un câmp de oglinzi heliostatice plasate la nivelul solului care urmăresc soarele reflectă razele soarelui pe un receptor montat pe vârful unui turn destul de înalt. Receptorul este, în esență, un cazan solar în care se generează abur de apă cu parametri medii, care este apoi trimis la o turbină cu abur standard.
Al doilea proiect, centrala solară cu turn PHOEBUS, este implementat de un consorțiu german. Proiectul presupune realizarea unei centrale solare hibride demonstrative (solar-combustibil) cu o capacitate de 30 MW cu un receptor volumetric în care va fi încălzit aerul atmosferic, care este apoi trimis la un cazan cu abur, unde este generat aburul de apă, care operează în ciclul Rankine. Pe calea aerului de la receptor la cazan, un arzător ar trebui să ardă gaz natural, a cărui cantitate este reglată astfel încât să mențină puterea specificată pe tot parcursul orelor de lumină. Calculele arată că, de exemplu, pentru o radiație solară anuală de 6,5 GJ/m2 (asemănătoare cu cea tipică pentru regiunile sudice ale Ucrainei), această centrală solară, care are o suprafață totală a heliostaticului de 160 mii m2, va primi 290,2 GW. *h/an de energie solară, iar cantitatea de energie contribuită cu combustibil va fi de 176,0 GWh/an. În același timp, centrala solară va genera 87,9 GWh de energie electrică pe an cu o eficiență medie anuală de 18,8%. Cu astfel de indicatori, costul energiei electrice generate la o centrală solară poate fi de așteptat să fie la nivelul centralelor termice care utilizează combustibili fosili.
De la mijlocul anilor 80, în California de Sud, compania LUZ a creat și a pus în funcțiune comercială nouă centrale solare cu concentratoare cilindrice parabolice (PCC) cu capacități unitare care au crescut de la prima centrală solară la următoarea de la 13,8 la 80 MW. . Capacitatea totală a acestor centrale solare a ajuns la 350 MW. În aceste SES-uri s-au folosit PCC-uri cu deschidere, care au crescut în timpul tranziției de la primul SES la următoarele. Urmărind soarele pe o singură axă, concentratoarele concentrează radiația solară pe receptori tubulari închiși în tuburi evacuate. În interiorul receptorului curge un lichid de răcire la temperatură înaltă, care se încălzește până la 380°C și apoi transferă căldura vaporilor de apă către generatorul de abur. Proiectarea acestor centrale solare prevede, de asemenea, arderea unei anumite cantități de gaz natural într-un generator de abur pentru a produce energie electrică de vârf suplimentară, precum și pentru a compensa insolația redusă.
Aceste centrale solare au fost create și funcționate într-o perioadă în care existau legi în Statele Unite care permiteau centralelor solare să funcționeze la pragul de rentabilitate. Expirarea acestor legi la sfârșitul anilor 80 a dus la faptul că firma LUZ a dat faliment, iar construcția de noi centrale solare de acest tip a fost oprită.
KJC (Kramer Junction Company), care a exploatat cinci din cele nouă centrale solare construite (de la 3 la 7), și-a propus sarcina de a crește eficiența acestor centrale solare, de a reduce costurile de funcționare a acestora și de a le face atractive din punct de vedere economic. în noile condiţii. Acest program este în prezent implementat cu succes.
Elveția a devenit unul dintre liderii în utilizarea energiei solare. Potrivit datelor din 1997, aici au fost construite aproximativ 2.600 de instalații solare bazate pe convertoare fotoelectrice cu o capacitate de la 1 la 1.000 kW. Programul, numit „Solar-91” și desfășurat sub sloganul „Pentru o Elveție independentă din punct de vedere energetic”, aduce o contribuție semnificativă la rezolvarea problemelor de mediu și la independența energetică a unei țări care importă astăzi mai mult de 70% din energia sa. O centrală solară cu o capacitate de 2-3 kW este instalată cel mai adesea pe acoperișurile și fațadele clădirilor. Această instalație produce în medie 2.000 kWh de energie electrică pe an, ceea ce este suficient pentru nevoile casnice ale unei locuințe obișnuite elvețiene. Companiile mari instalează instalații solare cu o capacitate de până la 300 kW pe acoperișurile clădirilor de producție. O astfel de stație acoperă nevoile de energie electrică ale întreprinderii cu 50-60%.
În zonele muntoase alpine, unde este neprofitabilă instalarea liniilor electrice, se construiesc și centrale solare de mare putere. Experiența în exploatare arată că Soarele este deja capabil să răspundă nevoilor tuturor clădirilor rezidențiale din țară. Instalațiile solare, amplasate pe acoperișurile și pereții caselor, pe barierele fonice ale autostrăzilor, pe structurile de transport și industriale, nu necesită un teritoriu agricol costisitor pentru amplasarea lor. O instalație solară autonomă în apropierea satului Grimsel oferă energie electrică pentru iluminarea non-stop a tunelului rutier. În apropierea orașului Shur, panourile solare instalate pe o secțiune de barieră de zgomot de 700 de metri asigură 100 kW de energie electrică anual.
Conceptul modern de utilizare a energiei solare a fost exprimat pe deplin în timpul construcției clădirilor fabricii de sticlă pentru ferestre din Arisdorf, unde panourilor solare cu o putere totală de 50 kW li s-a atribuit un rol suplimentar în timpul proiectării ca elemente de podea și fațadă. Eficiența convertoarelor solare scade considerabil cu o încălzire puternică, astfel încât conductele de ventilație sunt așezate sub panouri pentru a pompa aerul exterior. Fotoconvertoarele de culoare albastru închis care sclipesc în soare pe fațadele de sud și de vest ale clădirii administrative, care furnizează energie electrică rețelei, acționează ca placare decorativă.
În țările în curs de dezvoltare, instalații relativ mici sunt folosite pentru a furniza energie electrică a caselor individuale, în satele îndepărtate pentru a dota centrele culturale, unde, datorită PMT-urilor, puteți folosi televizoare etc. În acest caz, nu costul energiei electrice vine. în prim plan, ci efectul social. Programele de introducere a energiei fotovoltaice în aceste țări sunt susținute activ de organizațiile internaționale Banca Mondială participă la finanțarea acestora pe baza „Inițiativei solare” propusă de aceasta. De exemplu, în Kenya, în ultimii 5 ani, 20.000 de case rurale au fost electrificate cu ajutorul fotovoltaicului. Un program amplu pentru introducerea fotomultiplicatoarelor este implementat în India, unde în 1986 - 1992. S-au cheltuit 690 milioane Rs pentru instalarea PMT-urilor în zonele rurale.
În țările industrializate, implementarea activă a fotomultiplicatorilor se explică prin mai mulți factori. În primul rând, PMT-urile sunt considerate surse prietenoase cu mediul care pot reduce impactul nociv asupra mediului. În al doilea rând, utilizarea PMT-urilor în locuințele private mărește autonomia energetică și protejează proprietarul în cazul unor eventuale întreruperi în alimentarea centralizată cu energie.
3. CONVERSIUNEA FOTOVOLTAICĂ A ENERGIEI SOLARE
O contribuție importantă la înțelegerea mecanismului de acțiune a efectului fotoelectric în semiconductori a fost adusă de fondatorul Institutului Fizico-Tehnic (PTI) al Academiei Ruse de Științe, academicianul A.F. Ioffe. A visat să folosească fotocelule semiconductoare în energia solară deja în anii treizeci, când B.T. Kolomiets și Yu.P. Maslakovets a creat celule solare cu sulf-taliu la Institutul Fizicotehnic cu o eficiență record de 1% pentru acea perioadă.
Utilizarea practică pe scară largă a panourilor solare în scopuri energetice a început odată cu lansarea în 1958 a sateliților Pământeni artificiali - Sputnik-3 sovietic și Avangard-1 american. De atunci, timp de mai bine de 35 de ani, bateriile solare cu semiconductori au fost principala și aproape singura sursă de aprovizionare cu energie pentru navele spațiale și pentru stațiile orbitale mari precum Salyut și Mir. Fundamentul vast acumulat de oamenii de știință în domeniul bateriilor solare pentru aplicații spațiale a făcut posibilă și dezvoltarea lucrărilor privind energia fotovoltaică de la sol.
Baza fotocelulelor este o structură semiconductoare cu o joncțiune p-n care apare la interfața a doi semiconductori cu mecanisme de conducere diferite. Rețineți că această terminologie provine din cuvintele englezești pozitiv (pozitiv) și negativ (negativ). Se obțin diferite tipuri de conductivitate prin modificarea tipului de impurități introduse în semiconductor. De exemplu, atomii din grupa III din Tabelul periodic D.I. Mendeleev, introdus în rețeaua cristalină de siliciu, dă conductivitate (pozitivă) a găurii din urmă și impurități din grupa V - electronice (negative). Contactul dintre p sau n semiconductori duce la formarea unui câmp electric de contact între ele, care joacă un rol extrem de important în funcționarea unei fotocelule solare. Să explicăm motivul apariției diferenței de potențial de contact. Atunci când semiconductorii de tip p și n sunt combinați într-un singur cristal, apare un flux de difuzie de electroni de la semiconductorul de tip n la semiconductorul de tip p și, invers, un flux de găuri de la semiconductorul p la n-semiconductor. Ca urmare a acestui proces, partea semiconductorului de tip p adiacentă joncțiunii p-n va fi încărcată negativ, iar partea semiconductorului de tip n adiacentă joncțiunii p-n, dimpotrivă, va dobândi o sarcină pozitivă. Astfel, în apropierea joncțiunii p-n se formează un strat dublu încărcat, care contracarează procesul de difuzie a electronilor și a găurilor. Într-adevăr, difuzia tinde să creeze un flux de electroni din regiunea n în regiunea p, iar câmpul stratului încărcat, dimpotrivă, returnează electroni în regiunea n. În mod similar, câmpul din joncțiunea pn contracarează difuzia găurilor din regiunea p-în-n. În urma a două procese care acționează în direcții opuse (difuzia și mișcarea purtătorilor de curent într-un câmp electric), se stabilește o stare staționară, de echilibru: la limită apare un strat încărcat, împiedicând pătrunderea electronilor din semiconductorul n și găuri de la p-semiconductor. Cu alte cuvinte, în regiunea joncțiunii p-n apare o barieră de energie (potențială), pentru a depăși care electroni din semiconductorul n și găurile din semiconductorul p trebuie să consume o anumită energie. Fără a ne opri să descriem caracteristicile electrice ale joncțiunii pn, care este utilizată pe scară largă în redresoare, tranzistoare și alte dispozitive semiconductoare, să luăm în considerare funcționarea joncțiunii pn în fotocelule.
Când lumina este absorbită într-un semiconductor, perechile electron-gaură sunt excitate. Într-un semiconductor omogen, fotoexcitația crește doar energia electronilor și a găurilor fără a le separa în spațiu, adică electronii și găurile sunt separați în „spațiul energetic”, dar rămân apropiați în spațiul geometric. Pentru separarea purtătorilor de curent și apariția forței fotoelectromotoare (fotoEMF), trebuie să existe o forță suplimentară. Cea mai eficientă separare a purtătorilor de neechilibru are loc tocmai în regiunea joncțiunii pn. Purtătorii „minoritario” generați în apropierea joncțiunii p-n (găuri în semiconductorul n și electronii în semiconductorul p) difuzează către joncțiunea p-n, sunt preluați de câmpul joncțiunii p-n și aruncați în semiconductor, în care devin purtători majoritari: electronii vor fi localizați într-un semiconductor de tip n, iar găurile într-un semiconductor de tip p. Ca rezultat, semiconductorul de tip p primește o sarcină pozitivă în exces, iar semiconductorul de tip n primește o sarcină negativă. O diferență de potențial - fotoEMF - apare între regiunile n și p ale celulei foto. Polaritatea fotoEMF corespunde polarizării „înainte” a joncțiunii p-n, care scade înălțimea barierei și promovează injectarea găurilor din regiunea p în regiunea n și electroni din regiunea n în regiunea p. . Ca urmare a acțiunii acestor două mecanisme opuse — acumularea purtătorilor de curent sub influența luminii și scurgerea lor din cauza scăderii înălțimii barierei de potențial — la diferite intensități luminoase, se stabilesc valori diferite ale fototensiunii. În acest caz, valoarea fototensiunii într-o gamă largă de iluminare crește proporțional cu logaritmul intensității luminii. La o intensitate luminoasă foarte mare, când bariera potențială se dovedește a fi practic zero, valoarea fotoEMF atinge „saturație” și devine egală cu înălțimea barierei la joncțiunea p-n neluminată. Când este expusă radiației directe, precum și radiației solare concentrate de până la 100-1000 de ori, valoarea fotoEMF este de 50-85% din diferența de potențial de contact a joncțiunii p-n.
Astfel, se consideră procesul de apariție a fototensiunii care are loc la contactele regiunilor p și n ale joncțiunii p-n. Când o joncțiune pn iluminată este scurtcircuitată, în circuitul electric va curge un curent proporțional cu intensitatea iluminării și cu numărul de perechi electron-gaură generate de lumină. Când o sarcină utilă, cum ar fi un calculator alimentat de o baterie solară, este conectată la circuitul electric, curentul din circuit va scădea ușor. De obicei, rezistența electrică a sarcinii utile în circuitul celulei solare este aleasă astfel încât să se obțină puterea electrică maximă livrată acestei sarcini.
O fotocelulă solară este realizată dintr-o plachetă dintr-un material semiconductor, cum ar fi siliciul. Regiunile cu p- și n-tipuri de conductivitate sunt create în placă. Metodele de creare a acestor zone includ, de exemplu, metoda difuzării impurităților sau metoda de creștere a unui semiconductor pe altul. Apoi se realizează contactele electrice inferioare și superioare, contactul inferior fiind solid, iar contactul superior fiind realizat sub forma unei structuri pieptene (fâșii subțiri legate printr-o magistrală de colectare a curentului relativ largă).
Materialul principal pentru producerea celulelor solare este siliciul. Tehnologia de producere a siliciului semiconductor și a fotocelulelor pe baza acestuia se bazează pe metode dezvoltate în microelectronică - cea mai dezvoltată tehnologie industrială. Siliciul, aparent, este în general unul dintre cele mai studiate materiale din natură și, de asemenea, al doilea cel mai abundent după oxigen. Având în vedere că primele celule solare au fost fabricate din siliciu în urmă cu aproximativ patruzeci de ani, este firesc ca acest material să joace primul joc în programele de energie solară fotovoltaică. Fotocelulele realizate din siliciu monocristalin combină avantajele utilizării unui material semiconductor relativ ieftin cu parametrii înalți ai dispozitivelor obținute din acesta.
Până de curând, celulele solare pentru utilizare terestră, precum și pentru aplicații spațiale, erau realizate pe baza de siliciu monocristalin relativ scump. Reducerea costului siliciului inițial, dezvoltarea metodelor de înaltă performanță de fabricare a plachetelor din lingouri și tehnologii avansate de fabricare a celulelor solare au făcut posibilă reducerea de mai multe ori a costului celulelor solare de la sol bazate pe acestea. Principalele domenii de lucru pentru reducerea în continuare a costului energiei solare sunt: obținerea de elemente pe bază de siliciu policristalin ieftin, inclusiv în bandă; dezvoltarea de elemente ieftine cu peliculă subțire pe bază de siliciu amorf și alte materiale semiconductoare; Conversia radiației solare concentrate utilizând elemente foarte eficiente pe bază de siliciu și un material semiconductor relativ nou aluminiu-galiu-arsen.
O lentilă Fresnel este o placă din plexiglas de 1–3 mm grosime, a cărei latură este plată, iar pe cealaltă există un profil sub formă de inele concentrice, repetând profilul unei lentile convexe. Lentilele Fresnel sunt semnificativ mai ieftine decât lentilele convexe convenționale și oferă un grad de concentrare de 2 - 3 mii de „sori”.
În ultimii ani, în lume s-au înregistrat progrese semnificative în dezvoltarea celulelor solare cu siliciu care funcționează sub iradiere solară concentrată. Elementele de siliciu cu o eficiență > 25% au fost create în condiții de iradiere pe suprafața Pământului la un grad de concentrație de 20 - 50 „sori”. Grade semnificativ mai mari de concentrare sunt permise de fotocelulele bazate pe materialul semiconductor aluminiu-galiu-arsen, creat pentru prima dată la Institutul Fizico-Tehnic. A.F. Ioffe în 1969. În astfel de celule solare, valorile de eficiență > 25% sunt atinse la niveluri de concentrație de până la 1000 de ori. În ciuda costului ridicat al unor astfel de elemente, contribuția lor la costul energiei electrice generate nu se dovedește a fi decisivă la grade mari de concentrare a radiației solare datorită unei reduceri semnificative (de până la 1000 de ori) în zona lor. Situația în care costul fotocelulelor nu aduce o contribuție semnificativă la costul total al unei instalații de energie solară face justificată complicarea și creșterea costului unei fotocelule dacă aceasta asigură o creștere a eficienței. Așa se explică atenția actuală acordată dezvoltării celulelor solare în cascadă, care pot obține o creștere semnificativă a eficienței. Într-o celulă solară în cascadă, spectrul solar este împărțit în două (sau mai multe) părți, de exemplu, vizibil și infraroșu, fiecare dintre acestea fiind convertită folosind fotocelule realizate din materiale diferite. În acest caz, pierderile de energie ale cuantelor radiației solare sunt reduse. De exemplu, în cascade cu două elemente, valoarea eficienței teoretice depășește 40%.
Energie solara- o direcție de energie netradițională bazată pe utilizarea directă a radiației solare pentru a obține energie sub orice formă. Energia solară folosește o sursă inepuizabilă de energie și este ecologică, adică nu produce deșeuri dăunătoare. Producția de energie cu ajutorul centralelor solare se potrivește bine cu conceptul de producție distribuită de energie.
Fotovoltaice- o metodă de generare a energiei electrice prin utilizarea elementelor fotosensibile pentru a transforma energia solară în electricitate.
Energia solară termică- una dintre metodele de utilizare practică a unei surse de energie regenerabilă - energia solară, utilizată pentru a transforma radiația solară în căldură de apă sau lichid de răcire cu punct de fierbere scăzut. Energia solară termică este utilizată atât pentru producția industrială de energie electrică, cât și pentru încălzirea apei de uz casnic.
Baterie solară- un termen de zi cu zi folosit în vorbirea colocvială sau în presa neștiințifică. De obicei, termenul „baterie solară” sau „panou solar” se referă la mai multe convertoare fotovoltaice combinate (fotocelule) - dispozitive semiconductoare care convertesc direct energia solară în curent electric direct.
Termenul „fotovoltaic” se referă la modul normal de funcționare al unei fotodiode în care curentul electric este generat exclusiv de energia luminoasă convertită. De fapt, toate dispozitivele fotovoltaice sunt soiuri de fotodiode.
Convertoare fotoelectrice (PVC)
În sistemele fotovoltaice, conversia energiei solare în energie electrică se realizează în convertoare fotovoltaice (PVC). În funcție de material, proiectare și metoda de producție, se obișnuiește să se distingă trei generații de celule fotovoltaice:
Celule solare de prima generație bazate pe plachete de siliciu cristalin;
FEC de a doua generație bazată pe pelicule subțiri;
FEC de a treia generație pe bază de materiale organice și anorganice.
Pentru a crește eficiența conversiei energiei solare, sunt dezvoltate celule solare bazate pe structuri multistrat în cascadă.
FEP prima generație
Celulele solare de prima generație bazate pe plachete cristaline sunt în prezent cele mai utilizate pe scară largă. În ultimii doi ani, producătorii au reușit să reducă costul de producție a unor astfel de celule fotovoltaice, ceea ce a asigurat consolidarea poziției lor pe piața globală.
Tipuri de celule solare de prima generație:
siliciu monocristalin (mc-Si),
siliciu policristalin (m-Si),
bazat pe GaAs,
tehnologii ribbon (EFG, S-web),
polisiliciu în strat subțire (Apex).
FEP a doua generație
Tehnologia de producere a celulelor solare cu peliculă subțire de a doua generație implică aplicarea de straturi folosind metoda vidului. Tehnologia vidului, în comparație cu tehnologia de producție a celulelor solare cristaline, consumă mai puțin energie și se caracterizează și printr-un volum mai mic de investiții de capital. Permite producerea de celule solare flexibile, ieftine, cu o suprafață mare, dar coeficientul de conversie al unor astfel de elemente este mai mic comparativ cu celulele solare din prima generație.
Tipuri de celule solare de a doua generație:
siliciu amorf (a-Si),
micro și nanosiliciu (μc-Si/nc-Si),
silicon pe sticlă (CSG),
telurura de cadmiu (CdTe),
(di)seleniură de cupru-(indiu-)galiu (CI(G)S).
FEP de a treia generație
Ideea creării de celule fotovoltaice de a treia generație a fost de a reduce și mai mult costul celulelor fotovoltaice, renunțând la utilizarea materialelor scumpe și toxice în favoarea polimerilor și electroliților ieftini și reciclabili. O diferență importantă este și posibilitatea de a aplica straturi folosind metode de imprimare.
În prezent, cea mai mare parte a proiectelor din domeniul celulelor solare de generația a treia se află în stadiul de cercetare.
Tipuri de celule solare de a treia generație:
colorant fotosensibilizat (DSC),
organic (OPV),
anorganice (CTZSS).
Instalare și utilizare
Celulele fotovoltaice sunt asamblate în module care au dimensiuni de instalare standardizate, parametri electrici și indicatori de fiabilitate. Pentru instalarea și transmiterea energiei electrice, modulele solare sunt echipate cu invertoare de curent, baterii și alte elemente ale subsistemelor electrice și mecanice.
În funcție de domeniul de aplicare, se disting următoarele tipuri de instalații de sistem solar:
stații private de putere redusă situate pe acoperișurile caselor;
statii comerciale de putere mica si medie, amplasate atat pe acoperisuri cat si la sol;
stații solare industriale care furnizează energie pentru mulți consumatori.
Valori maxime de eficiență ale fotocelulelor și modulelor realizate în condiții de laborator
Factori care afectează eficiența fotocelulelor
Din caracteristicile de performanță ale panoului fotovoltaic este clar că pentru a obține cea mai mare eficiență, este necesară selectarea corectă a rezistenței la sarcină. Pentru a face acest lucru, panourile fotovoltaice nu sunt conectate direct la sarcină, ci folosesc un controler de control al sistemelor fotovoltaice, care asigură funcționarea optimă a panourilor.
Productie
Foarte adesea fotocelulele individuale nu produc suficientă putere. Prin urmare, un anumit număr de elemente fotovoltaice sunt conectate în așa-numitele module solare fotovoltaice și este montată o armătură între plăcile de sticlă. Acest ansamblu poate fi complet automatizat.
Avantaje
Accesibilitatea publică și inepuizabilitatea sursei.
Siguranța pentru mediu – deși există posibilitatea ca introducerea pe scară largă a energiei solare să modifice albedo (caracteristic capacității de reflectivitate (împrăștiere)) a suprafeței pământului și să conducă la schimbări climatice (cu toate acestea, având în vedere nivelul actual de consum de energie, acest lucru este extrem de puțin probabil).
Defecte
Dependență de vreme și de ora zilei.
Nevoia de stocare a energiei.
În producția industrială, este necesar să se dubleze ES solar cu ES manevrabil de putere comparabilă.
Costul ridicat de construcție asociat cu utilizarea elementelor rare (de exemplu, indiu și telur).
Necesitatea curățării periodice a suprafeței reflectorizante de praf.
Încălzirea atmosferei deasupra centralei electrice.
Eficiența conversiei depinde de caracteristicile electrice ale structurii semiconductoare neomogene, precum și de proprietățile optice ale celulei solare, dintre care fotoconductivitatea joacă cel mai important rol. Este cauzată de fenomenele de efect fotoelectric intern în semiconductori atunci când sunt iradiate cu lumina solară.
Principalele pierderi ireversibile de energie din celulele solare sunt asociate cu:
reflectarea radiației solare de pe suprafața convertorului,
trecerea unei părți a radiației prin celula fotovoltaică fără absorbție în ea,
împrăștierea excesului de energie fotonică pe vibrațiile termice ale rețelei,
recombinarea perechilor foto formate pe suprafețele și în volumul celulei fotovoltaice,
rezistența internă a convertorului etc.
