Efektívna premena voľných slnečných lúčov na energiu, ktorú možno použiť na napájanie domov a iných zariadení, je obľúbeným snom mnohých zástancov zelenej energie.
Princíp fungovania solárnej batérie a jej účinnosť sú však také, že o vysokej účinnosti takýchto systémov zatiaľ nie je potrebné hovoriť. Bolo by fajn mať vlastný dodatočný zdroj elektriny. Nieje to? Navyše aj dnes je v Rusku s pomocou solárnych panelov značný počet súkromných domácností úspešne zásobovaný „bezplatnou“ elektrinou. Stále neviete, kde začať?
Nižšie vám povieme o dizajne a princípoch fungovania solárneho panelu, dozviete sa, na čom závisí účinnosť solárneho systému. A videá uverejnené v článku vám pomôžu zostaviť solárny panel z fotobuniek vlastnými rukami.
V téme „slnečná energia“ je pomerne veľa nuancií a zmätkov. Pre začiatočníkov je často na začiatku ťažké pochopiť všetky neznáme pojmy. Bez toho je však nerozumné zapojiť sa do solárnej energie a nakupovať zariadenia na výrobu „slnečného“ prúdu.
Nevedomky tak môžete nielen vybrať nesprávny panel, ale ho pri pripájaní aj jednoducho spáliť alebo z neho vytiahnuť príliš málo energie.
Galéria obrázkov
Maximálnu návratnosť solárneho panelu je možné dosiahnuť len vtedy, ak viete, ako funguje, z akých komponentov a zostáv pozostáva a ako je všetko správne pripojené.
Druhou nuansou je pojem „solárna batéria“. Slovo „batéria“ sa zvyčajne vzťahuje na nejaký druh elektrického úložného zariadenia. Alebo prichádza na rad banálny vykurovací radiátor. V prípade solárnych batérií je však situácia radikálne odlišná. Nič v sebe nehromadia.
Podrobnosti Zverejnené 27.12.2019Vážení čitatelia! Kolektív knižnice vám praje šťastný nový rok a veselé Vianoce! Úprimne želáme vám a vašim rodinám šťastie, lásku, zdravie, úspech a radosť!
Nech vám nadchádzajúci rok dá prosperitu, vzájomné porozumenie, harmóniu a dobrú náladu.
Veľa šťastia, prosperity a splnenia vašich najcennejších túžob v novom roku!
Otestujte prístup na EBS Ibooks.ru
Podrobnosti Zverejnené 12.03.2019Vážení čitatelia! Do 31. decembra 2019 bola našej univerzite poskytnutý testovací prístup na EBS Ibooks.ru, kde sa môžete zoznámiť s akoukoľvek knihou v režime čítania plného textu. Prístup je možný zo všetkých počítačov v univerzitnej sieti. Na získanie vzdialeného prístupu je potrebná registrácia.
"Genrikh Osipovich Graftio - k 150. výročiu jeho narodenia"
Podrobnosti Zverejnené 12.02.2019Vážení čitatelia! V sekcii „Virtuálne výstavy“ je nová virtuálna výstava „Henrikh Osipovich Graftio“. V roku 2019 uplynie 150 rokov od narodenia Genrikha Osipoviča, jedného zo zakladateľov vodného priemyslu v našej krajine. Encyklopedistický vedec, talentovaný inžinier a vynikajúci organizátor Genrikh Osipovich výrazne prispel k rozvoju domácej energie.
Výstavu pripravili pracovníci oddelenia náučnej literatúry knižnice. Výstava predstavuje diela Genrikha Osipoviča z historického fondu LETI a publikácie o ňom.
Výstavu si môžete pozrieť
Otestujte prístup do systému elektronickej knižnice IPRbooks
Podrobnosti Zverejnené 11.11.2019Vážení čitatelia! Od 8. novembra 2019 do 31. decembra 2019 bol našej univerzite poskytnutý bezplatný testovací prístup do najväčšej ruskej plnotextovej databázy - IPR BOOKS Electronic Library System. EBS IPR BOOKS obsahuje viac ako 130 000 publikácií, z toho viac ako 50 000 unikátnych vzdelávacích a vedeckých publikácií. Na platforme máte prístup k aktuálnym knihám, ktoré nie je možné nájsť vo verejnej doméne na internete.
Prístup je možný zo všetkých počítačov v univerzitnej sieti.
Pre získanie vzdialeného prístupu je potrebné kontaktovať oddelenie elektronických zdrojov (miestnosť 1247) administrátora VChZ Polina Yurievna Skleymova alebo emailom [e-mail chránený] s témou „Registrácia v IPRbooks“.
Typy fotoelektrických meničov
Energeticky najefektívnejšie zariadenia na premenu slnečnej energie na elektrickú energiu (keďže ide o priamy, jednostupňový prechod energie) sú polovodičové fotovoltické meniče (PVC). Pri rovnovážnej teplote charakteristickej pre FV články rádovo 300-350 Kelvinov a solárnych T ~ 6000 K je ich maximálna teoretická účinnosť >90%. To znamená, že v dôsledku optimalizácie konštrukcie a parametrov meniča, zameranej na zníženie nevratných strát energie, bude celkom možné zvýšiť praktickú účinnosť na 50% alebo viac (v laboratóriách už účinnosť 40% dosiahnuté).
Teoretický výskum a praktický vývoj v oblasti fotovoltaickej premeny slnečnej energie potvrdili možnosť dosahovania takých vysokých hodnôt účinnosti so solárnymi článkami a identifikovali hlavné spôsoby dosiahnutia tohto cieľa.
Premena energie vo FV článkoch je založená na fotovoltaickom efekte, ktorý vzniká v nehomogénnych polovodičových štruktúrach pri vystavení slnečnému žiareniu. Heterogenitu štruktúry PV možno získať dopovaním toho istého polovodiča rôznymi nečistotami (vytvorením p-n prechodov) alebo spojením rôznych polovodičov s nerovnakým zakázaným pásmom - energiou odstránenia elektrónov z atómu (vytvorením heteroprechodov), prípadne zmenou chemického zloženie polovodič, čo vedie k vzniku gradientu zakázaného pásma (vytvorenie štruktúr s odstupňovanou medzerou). Možné sú aj rôzne kombinácie vyššie uvedených metód. Účinnosť konverzie závisí od elektrických charakteristík nehomogénnej polovodičovej štruktúry, ako aj od optických vlastností solárneho článku, z ktorých najdôležitejšiu úlohu zohráva fotovodivosť, spôsobená vnútorným fotoelektrickým javom v polovodičoch pri ožiarení slnečným žiarením. Princíp činnosti FV článkov možno vysvetliť na príklade meničov s p-n prechodmi, ktoré sú široko používané v modernej solárnej a vesmírnej energetike. Prechod elektrón-diera vzniká dopovaním plátku z monokryštálového polovodičového materiálu s určitým typom vodivosti (t.j. buď p- alebo n-typu) prímesou, čím sa zabezpečí vytvorenie povrchovej vrstvy s opačnou vodivosťou. typu.
Koncentrácia dopantu v tejto vrstve musí byť podstatne vyššia ako koncentrácia dopantu v základnom (pôvodnom monokryštálovom) materiáli, aby sa neutralizovali tam prítomné hlavné voľné nosiče náboja a vytvorila sa vodivosť opačného znamienka. Na rozhraní n- a p-vrstiev sa v dôsledku toku náboja vytvárajú ochudobnené zóny s nekompenzovaným objemovým kladným nábojom v n-vrstve a objemovo záporným nábojom v p-vrstve. Tieto zóny spolu tvoria p-n križovatku. Potenciálna bariéra (rozdiel kontaktných potenciálov), ktorá sa objavuje na prechode, bráni prechodu hlavných nosičov náboja, t.j. elektróny zo strany p-vrstvy, ale voľne umožňujú prechod menšinových nosičov v opačných smeroch. Táto vlastnosť p-n prechodov určuje možnosť získania foto-emf pri ožarovaní solárneho článku slnečným žiarením. Nerovnovážne nosiče náboja (páry elektrón-diera) vytvorené svetlom v oboch vrstvách fotovoltaického článku sú oddelené na p-n prechode: menšinové nosiče (t.j. elektróny) voľne prechádzajú cez prechod a väčšinové nosiče (diery) zostávajú zachované. P-n prechodom bude teda pod vplyvom slnečného žiarenia v oboch smeroch tiecť prúd nerovnovážnych menšinových nosičov náboja - fotoelektrónov a fotodier, čo je presne to, čo je potrebné pre činnosť solárneho článku. Ak teraz uzavrieme vonkajší obvod, potom sa elektróny z n-vrstvy po vykonaní práce na záťaži vrátia do p-vrstvy a tam sa rekombinujú (zjednotia) s otvormi pohybujúcimi sa vo vnútri solárneho článku v opačnom smere. Na zhromažďovanie a odstraňovanie elektrónov do vonkajšieho obvodu je na povrchu polovodičovej štruktúry solárneho článku kontaktný systém. Na prednej osvetlenej ploche meniča sú kontakty vytvorené vo forme mriežky alebo hrebeňa a na zadnej strane môžu byť plné.
Hlavné nevratné straty energie v solárnych článkoch sú spojené s:
- odraz slnečného žiarenia od povrchu konvertora,
- prechod časti žiarenia cez fotovoltaický článok bez absorpcie v ňom,
- rozptyl prebytočnej fotónovej energie na tepelných vibráciách mriežky,
- rekombinácia vytvorených fotopárov na povrchoch a v objeme fotovoltaického článku,
- vnútorný odpor meniča,
- a niektoré ďalšie fyzikálne procesy.
Na zníženie všetkých druhov strát energie v solárnych elektrárňach sa vyvíjajú a úspešne uplatňujú rôzne opatrenia. Tie obsahujú:
- použitie polovodičov s optimálnymi zakázanými pásmami pre slnečné žiarenie;
- cielené zlepšovanie vlastností polovodičovej štruktúry prostredníctvom jej optimálneho dopovania a vytvárania zabudovaných elektrických polí;
- prechod od homogénnych k heterogénnym polovodičovým štruktúram s odstupňovanou medzerou;
- optimalizácia parametrov návrhu FV (hĺbka pn-prechodu, hrúbka základnej vrstvy, frekvencia kontaktnej siete atď.);
- použitie multifunkčných optických povlakov, ktoré poskytujú antireflexnú, tepelnú reguláciu a ochranu solárnych článkov pred kozmickým žiarením;
- vývoj solárnych článkov, ktoré sú transparentné v dlhovlnnej oblasti slnečného spektra za okrajom hlavného absorpčného pásma;
- vytvorenie kaskádových PV článkov z polovodičov špeciálne vybraných pre ich šírku bandgap, čo umožňuje v každej kaskáde konvertovať žiarenie, ktoré prešlo predchádzajúcou kaskádou atď.;
Výrazné zvýšenie účinnosti solárnych článkov sa dosiahlo aj vytvorením meničov s obojstrannou citlivosťou (až +80 % existujúcej účinnosti jednej strany), použitím luminiscenčných reemitujúcich štruktúr a predbežným rozklad slnečného spektra na dve alebo viac spektrálnych oblastí pomocou viacvrstvových rozdeľovačov lúčov (dichroických zrkadiel) s následnou transformáciou každej časti spektra samostatným fotovoltaickým článkom atď.
V systémoch premeny energie solárnych elektrární (solárnych elektrární) možno v zásade použiť akékoľvek typy solárnych článkov rôznych štruktúr na báze rôznych polovodičových materiálov, ktoré boli vytvorené a v súčasnosti sa vyvíjajú, ale nie všetky vyhovujú súbor požiadaviek na tieto systémy:
- vysoká spoľahlivosť s dlhou (desiatkami rokov!) životnosťou;
- dostupnosť zdrojových materiálov v množstve dostatočnom na výrobu prvkov konverzného systému a možnosť organizácie ich hromadnej výroby;
- náklady na energiu na vytvorenie konverzného systému, ktoré sú prijateľné z hľadiska doby návratnosti;
- minimálne energetické a hmotnostné náklady spojené s riadením systému premeny energie a prenosu (priestoru), vrátane zamerania a stabilizácie stanice ako celku;
- jednoduchosť údržby.
Napríklad niektoré perspektívne materiály je ťažké získať v množstvách potrebných na vytvorenie solárnych elektrární kvôli obmedzeným prírodným zásobám surovín a zložitosti ich spracovania. Niektoré metódy na zlepšenie energetických a prevádzkových charakteristík solárnych článkov, napríklad vytváraním zložitých štruktúr, sú zle kompatibilné s možnosťami organizácie ich hromadnej výroby pri nízkych nákladoch atď. Vysoká produktivita sa dá dosiahnuť len organizáciou plne automatizovanej výroby FV, napríklad na báze páskovej technológie, a vytvorením rozvinutej siete špecializovaných podnikov príslušného profilu, t.j. vlastne celé odvetvie, ktoré je rozsahom porovnateľné s moderným rádioelektronickým priemyslom. Výroba solárnych článkov a montáž solárnych panelov na automatizovaných linkách zníži cenu batériového modulu 2-2,5 krát.
Kremík a arzenid gália (GaAs) sú v súčasnosti považované za najpravdepodobnejšie materiály pre fotovoltaické systémy na premenu slnečnej energie na SES a v druhom prípade hovoríme o heterofotokonvertoroch (HPC) so štruktúrou AlGaAs-GaAs.
FEC (fotovoltaické konvertory) na báze zlúčeniny arzénu s gálom (GaAs), ako je známe, majú vyššiu teoretickú účinnosť ako kremíkové FEC, pretože ich šírka bandgap sa prakticky zhoduje s optimálnou šírkou bandgap pre polovodičové konvertory solárnej energie = 1,4 eV. Pre kremík je tento indikátor 1,1 eV.
Vzhľadom na vyššiu úroveň absorpcie slnečného žiarenia, determinovanú priamymi optickými prechodmi v GaAs, je možné získať na nich založené vysokoúčinné PV články s výrazne menšou hrúbkou PV článku v porovnaní s kremíkom. V zásade stačí mať hrúbku GFP 5-6 mikrónov na dosiahnutie účinnosti rádovo aspoň 20%, pričom hrúbka kremíkových prvkov nemôže byť menšia ako 50-100 mikrónov bez toho, aby došlo k výraznému zníženiu ich účinnosti. . Táto okolnosť nám umožňuje počítať s vytvorením ľahkých filmových HFP, ktorých výroba bude vyžadovať relatívne málo východiskového materiálu, najmä ak je možné použiť nie GaAs ako substrát, ale iný materiál, napríklad syntetický zafír (Al2 O3 ).
GFC majú aj priaznivejšie prevádzkové vlastnosti z hľadiska požiadaviek na SES konvertory v porovnaní s kremíkovými PV článkami. Teda najmä možnosť dosiahnutia malých počiatočných hodnôt reverzných saturačných prúdov v p-n prechodoch vďaka veľkej zakázanej pásme umožňuje minimalizovať veľkosť negatívnych teplotných gradientov účinnosti a optimálneho výkonu HFP a navyše , výrazne rozširujú oblasť lineárnej závislosti druhého od hustoty svetelného toku . Experimentálne závislosti účinnosti HFP od teploty naznačujú, že zvýšenie ich rovnovážnej teploty na 150-180 °C nevedie k výraznému zníženiu ich účinnosti a optimálneho špecifického výkonu. Zároveň je pre kremíkové solárne články takmer kritické zvýšenie teploty nad 60-70°C – účinnosť klesá na polovicu.
Solárne články z arzenidu gália môžu byť vďaka svojej odolnosti voči vysokým teplotám použité ako koncentrátory slnečného žiarenia. Prevádzková teplota HFP na báze GaAs dosahuje 180 °C, čo sú už pomerne prevádzkové teploty pre tepelné motory a parné turbíny. K 30 % vnútornej účinnosti HFP arzenidu gália (pri 150 °C) teda môžeme pridať účinnosť tepelného motora využívajúceho odpadové teplo kvapaliny chladiacej fotočlánky. Preto celková účinnosť inštalácie, ktorá využíva aj tretí cyklus nízkoteplotného odberu tepla z chladiacej kvapaliny po turbíne na vykurovanie priestorov, môže byť aj vyššia ako 50 – 60 %.
HFC na báze GaAs sú tiež oveľa menej náchylné na deštrukciu vysokoenergetickými tokmi protónov a elektrónov ako kremíkové FEC v dôsledku vysokej úrovne absorpcie svetla v GaAs, ako aj malej požadovanej životnosti a dĺžky difúzie menšinových nosičov. Experimenty navyše ukázali, že značná časť radiačných defektov v HFP na báze GaAs zmizne po ich tepelnom spracovaní (žíhaní) pri teplote len okolo 150-180 °C. Ak budú GaAs HFC neustále pracovať pri teplote rádovo 150°C, potom stupeň radiačnej degradácie ich účinnosti bude počas celej doby aktívnej prevádzky staníc relatívne malý (to platí najmä pre vesmírne solárne elektrárne, pre ktoré je dôležitá nízka hmotnosť a veľkosť FEC a vysoká účinnosť) .
Vo všeobecnosti môžeme konštatovať, že energetické, hmotnostné a prevádzkové charakteristiky HFC na báze GaAs sú v súlade s požiadavkami SES a SCES (vesmír) ako charakteristiky kremíkových FEC. Kremík je však oveľa dostupnejší a široko používaný materiál ako arzenid gália. Kremík je v prírode rozšírený a dodávky surovín na výrobu solárnych článkov na jeho základe sú takmer neobmedzené. Technológia výroby kremíkových solárnych článkov je dobre zavedená a neustále sa zdokonaľuje. Existuje reálna perspektíva zníženia nákladov na kremíkové solárne články o jeden až dva rády zavedením nových automatizovaných výrobných metód, ktoré umožňujú najmä výrobu silikónových pások, veľkoplošných solárnych článkov atď.
Ceny kremíkových fotovoltaických batérií sa za 25 rokov znížili 20-30-krát zo 70-100 dolárov/watt v sedemdesiatych rokoch až na 3,5 dolára/watt v roku 2000 a naďalej klesajú. Na Západe sa očakáva revolúcia v energetickom sektore, keď ceny prekročia hranicu 3 dolárov. Podľa niektorých výpočtov by sa to mohlo stať už v roku 2002 a pre Rusko pri súčasných energetických tarifách tento moment príde za cenu 1 wattu slnečnej energie 0,3 – 0,5 dolára, teda rádovo nižšiu. cena. Úlohu tu zohrávajú všetky faktory spolu: tarify, klíma, zemepisné šírky a schopnosť štátu určovať skutočné ceny a robiť dlhodobé investície. V skutočných štruktúrach s heteroprechodmi dnes účinnosť dosahuje viac ako 30% a v homogénnych polovodičoch, ako je monokryštalický kremík - až 18%. Priemerná účinnosť solárnych článkov na báze monokryštalického kremíka je dnes asi 12 %, hoci dosahuje 18 %. Sú to hlavne kremíkové SB, ktoré dnes možno vidieť na strechách domov po celom svete.
Na rozdiel od kremíka je gálium veľmi vzácnym materiálom, čo obmedzuje možnosť výroby HFP na báze GaAs v množstvách, ktoré sú potrebné na rozsiahlu implementáciu.
Gálium sa ťaží najmä z bauxitu, ale uvažuje sa aj o možnosti jeho získavania z uhoľného popola a morskej vody. Najväčšie zásoby gália sa nachádzajú v morskej vode, ale koncentrácia je tam veľmi nízka, výťažnosť sa odhaduje len na 1 %, a preto sú výrobné náklady pravdepodobne neúmerné. Technológia výroby HFP na báze GaAs metódami kvapalinovej a plynovej epitaxie (orientovaný rast jedného monokryštálu na povrchu druhého (na substráte)) zatiaľ nie je vyvinutá v takom rozsahu ako technológia výroby kremíkové PVS a v dôsledku toho sú náklady na HFP teraz výrazne vyššie (podľa objednávok) ako náklady na kremíkové solárne články.
V kozmických lodiach, kde sú hlavným zdrojom prúdu solárne panely a kde sú veľmi dôležité jasné pomery hmotnosti, veľkosti a účinnosti, je hlavným materiálom pre slnko. Batéria je samozrejme arzenid gália. Schopnosť tejto zlúčeniny v solárnych článkoch nestratiť účinnosť pri zahriatí 3- až 5-krát koncentrovaným slnečným žiarením je veľmi dôležitá pre vesmírne solárne elektrárne, čím sa znižuje potreba vzácneho gália. Dodatočná rezerva na úsporu gália je spojená s použitím syntetického zafíru (Al2O3) namiesto GaAs ako substrátu HFP.
Náklady na HFP počas ich hromadnej výroby založenej na vylepšenej technológii sa pravdepodobne tiež výrazne znížia a vo všeobecnosti môžu byť náklady na konverzný systém systému konverzie energie SES založeného na GaAs HFP celkom porovnateľné s nákladmi na kremík založený systém. V súčasnosti je teda ťažké jednoznačne uprednostniť jeden z dvoch uvažovaných polovodičových materiálov - kremík alebo arzenid gália a až ďalší vývoj technológie ich výroby ukáže, ktorá možnosť bude racionálnejšia pre pozemné a vesmírne- na báze slnečnej energie. Pokiaľ SB vyrábajú jednosmerný prúd, vzniká úloha transformovať ho na priemyselný striedavý prúd 50 Hz, 220 V. Špeciálna trieda zariadení - invertory - túto úlohu dokonale zvláda.
Výpočet fotovoltaického systému.
Energiu solárnych článkov možno využiť rovnako ako energiu iných zdrojov energie, s tým rozdielom, že solárne články sa neboja skratu. Každý z nich je navrhnutý tak, aby udržiaval určité množstvo prúdu pri danom napätí. Ale na rozdiel od iných súčasných zdrojov, charakteristiky solárneho článku závisia od množstva svetla dopadajúceho na jeho povrch. Napríklad prichádzajúci cloud môže znížiť výkon o viac ako 50 %. Okrem toho odchýlky v technologických podmienkach spôsobujú rozptyl vo výstupných parametroch prvkov jednej šarže. Následne snaha zabezpečiť maximálnu účinnosť fotovoltaických meničov vedie k potrebe triediť články podľa výstupného prúdu. Ako jasný príklad „všivavá ovca, ktorá kazí celé stádo“, možno uviesť nasledovné: vložte časť potrubia s oveľa menším priemerom do praskliny vo vodovodnom potrubí s veľkým priemerom, výsledkom čoho bude prietok vody; prudko klesnúť. Niečo podobné sa deje v reťazci solárnych článkov s heterogénnymi výstupnými parametrami.
Kremíkové solárne články sú nelineárne zariadenia a ich správanie sa nedá opísať jednoduchým vzorcom, akým je Ohmov zákon. Namiesto toho môžete na vysvetlenie charakteristík prvku použiť skupinu ľahko pochopiteľných kriviek – charakteristiky prúdu a napätia (CVC)
Napätie naprázdno generované jedným prvkom sa mierne líši od jedného prvku k druhému v rovnakej dávke a od jedného výrobcu k druhému a je približne 0,6 V. Táto hodnota nezávisí od veľkosti prvku. Iná situácia je s prúdom. Závisí to od intenzity svetla a veľkosti prvku, ktorá sa vzťahuje na jeho povrch.
Prvok s rozmermi 100-100 mm je 100-krát väčší ako prvok s rozmermi 10-10 mm, a preto pri rovnakom osvetlení bude produkovať prúd 100-krát väčší.
Zaťažením prvku môžete vykresliť závislosť výstupného výkonu od napätia, čím získate niečo podobné tomu, ktoré je znázornené na obr.
Špičkový výkon zodpovedá napätiu cca 0,47 V. Pre správne posúdenie kvality solárneho článku, ako aj pre porovnanie prvkov medzi sebou za rovnakých podmienok je teda potrebné zaťažiť tak, aby že výstupné napätie sa rovná 0,47 V. Po solárnom Prvky sú vybrané pre prácu, je potrebné ich spájkovať. Sériové prvky sú vybavené prúdovými zbernými mriežkami, ktoré sú určené na spájkovanie vodičov k nim.
Batérie môžu byť usporiadané v ľubovoľnej kombinácii. Najjednoduchšia batéria je reťazec prvkov zapojených do série. Reťazce môžete spájať aj paralelne, výsledkom čoho je takzvané sériovo-paralelné spojenie.
Dôležitým bodom pri prevádzke solárnych článkov je ich teplotný režim. Pri zahriatí prvku o jeden stupeň nad 25°C stráca napätie 0,002 V, t.j. 0,4 %/stupeň. Obrázok 3 zobrazuje skupinu charakteristických kriviek prúd-napätie pre teploty 25 °C a 60 °C.
Za jasného slnečného dňa sa prvky zahrejú na 60-70°C, pričom každý stráca 0,07-0,09 V. To je hlavný dôvod poklesu účinnosti solárnych článkov, čo vedie k poklesu napätia generovaného prvkom. Účinnosť bežného solárneho článku sa v súčasnosti pohybuje od 10-16%. To znamená, že prvok s rozmermi 100-100 mm za štandardných podmienok môže generovať 1-1,6 W.
Všetky fotovoltaické systémy možno rozdeliť do dvoch typov: autonómne a napojené na elektrickú sieť. Stanice druhého typu vypúšťajú do siete prebytočnú energiu, ktorá slúži ako rezerva v prípade vnútorného nedostatku energie.
Autonómny systém vo všeobecnosti pozostáva zo sady solárnych modulov umiestnených na nosnej konštrukcii alebo na streche, batérie, regulátora nabíjania/vybíjania batérie a spojovacích káblov. Solárne moduly sú hlavným komponentom pri budovaní fotovoltaických systémov. Môžu byť vyrobené s akýmkoľvek výstupným napätím.
Po výbere solárnych článkov je potrebné ich prispájkovať. Sériové prvky sú vybavené mriežkami na zber prúdu na spájkovanie vodičov k nim. Batérie je možné vyrobiť v akejkoľvek kombinácii.
Najjednoduchšia batéria je reťazec prvkov zapojených do série.
Tieto reťazce môžete spojiť paralelne, čím získate takzvané sériovo-paralelné spojenie. Paralelne môžu byť zapojené iba reťazce (vedenia) s rovnakým napätím a ich prúdy sa spočítavajú podľa Kirchhoffovho zákona.
Pre pozemné použitie sa zvyčajne používajú na nabíjanie batérií s menovitým napätím 12 V. V tomto prípade je spravidla 36 solárnych článkov zapojených do série a utesnených lamináciou na sklo, PCB, alebo hliník. Prvky sú umiestnené medzi dvoma vrstvami tesniacej fólie, bez vzduchovej medzery. Technológia vákuovej laminácie umožňuje splniť túto požiadavku. V prípade vzduchovej medzery medzi ochranným sklom a prvkom by straty odrazom a absorpciou dosiahli 20-30% v porovnaní s 12% bez vzduchovej medzery.
Elektrické parametre solárneho článku sú prezentované ako aj individuálny solárny článok vo forme krivky prúd-napätie za štandardných podmienok (Standard Test Conditions), t.j. so slnečným žiarením 1000 W/m2, teplota - 25°C a slnečné spektrum v zemepisnej šírke 45° (AM1,5) .
Priesečník krivky s osou napätia sa nazýva napätie naprázdno - Uxx, priesečník s osou prúdu sa nazýva skratový prúd Is.
Maximálny výkon modulu je definovaný ako najvyšší výkon podľa STC (Štandardné testovacie podmienky). Napätie zodpovedajúce maximálnemu výkonu sa nazýva maximálne výkonové napätie (prevádzkové napätie - Up) a zodpovedajúci prúd sa nazýva prúd maximálneho výkonu (prevádzkový prúd - Ip).
Prevádzkové napätie pre modul skladajúci sa z 36 prvkov tak bude pri 25°C asi 16...17 V (0,45...0,47 V na prvok).
Táto rezerva napätia v porovnaní s napätím pri plnom nabití batérie (14,4 V) je potrebná na kompenzáciu strát v regulátore nabíjania a vybíjania batérie (o čom sa bude diskutovať neskôr), a hlavne - zníženie prevádzkového napätia modul, keď sa modul zahrieva sálaním: Teplotný koeficient pre kremík je asi mínus 0,4 %/stupeň (0,002 V/stupeň pre jeden prvok).
Treba poznamenať, že napätie naprázdno modulu závisí len málo od osvetlenia, zatiaľ čo skratový prúd, a teda prevádzkový prúd, je priamo úmerný osvetleniu.
Moduly sa teda pri zahriatí v reálnych prevádzkových podmienkach zohrejú na teplotu 60-70°C, čo zodpovedá posunu bodu prevádzkového napätia napríklad pre modul s prevádzkovým napätím 17 V - od 17 V na 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V na prvok).
Na základe všetkého vyššie uvedeného je potrebné pristúpiť k výpočtu počtu sériovo zapojených prvkov modulu Ak spotrebiteľ potrebuje mať striedavé napätie, potom sa k tomu pridá invertor-menič jednosmerného napätia na striedavé napätie. súprava.
Výpočtom FES sa rozumie určenie menovitého výkonu modulov, ich počtu, schémy zapojenia; výber typu, prevádzkových podmienok a kapacity batérie; výkon meniča a regulátora nabíjania a vybíjania; určenie parametrov pripojovacieho kábla.
Najprv je potrebné určiť celkový výkon všetkých súčasne pripojených spotrebičov. Výkon každého z nich sa meria vo wattoch a je uvedený v produktových listoch. V tejto fáze už môžete zvoliť výkon meniča, ktorý by nemal byť menší ako 1,25-krát väčší ako vypočítaný. Treba mať na pamäti, že také prefíkané zariadenie, ako je kompresorová chladnička, v okamihu spustenia spotrebuje energiu 7-krát viac ako menovitý výkon.
Menovitý rozsah meničov je 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Pre výkonné stanice (viac ako 1 kW) sa volí napätie stanice minimálne 48 V, pretože Pri vyšších výkonoch invertory fungujú lepšie s vyšším počiatočným napätím.
Ďalšou fázou je určenie kapacity batérie. Kapacita batérie sa volí zo štandardného rozsahu kapacít, zaokrúhlených na stranu väčšiu, ako je vypočítaná. A vypočítaná kapacita sa získa jednoduchým vydelením celkového výkonu spotrebiteľov súčinom napätia batérie a hĺbky vybitia batérie v zlomkoch.
Napríklad, ak je celkový výkon spotrebiteľov 1 000 Wh za deň a povolená hĺbka vybitia 12 V batérie je 50 %, vypočítaná kapacita bude:
1000 / (12 x 0,5) = 167 Ah
Pri výpočte kapacity batérie v plne autonómnom režime je potrebné vziať do úvahy prítomnosť zamračených dní v prírode, počas ktorých musí batéria zabezpečiť prevádzku spotrebiteľom.
Poslednou fázou je určenie celkového výkonu a počtu solárnych modulov. Výpočet si vyžiada hodnotu slnečného žiarenia, ktorá sa odoberá v období prevádzky stanice, kedy je slnečné žiarenie minimálne. V prípade celoročného používania je to december.
Časť „Meteorológia“ poskytuje mesačné a celkové ročné hodnoty slnečného žiarenia pre hlavné oblasti Ruska, ako aj gradáciu podľa rôznych orientácií roviny prijímania svetla.
Keď odtiaľ vezmeme hodnotu slnečného žiarenia za pre nás zaujímavé obdobie a vydelíme ju 1000, dostaneme takzvaný počet pikohodín, t.j. podmienený čas, počas ktorého svieti slnko s intenzitou 1000 W/. m2.
Napríklad pre zemepisnú šírku Moskva a mesiac júl je hodnota slnečného žiarenia 167 kWh/m2, keď je lokalita orientovaná na juh pod uhlom 40° k horizontu. To znamená, že v priemere slnko svieti v júli 167 hodín (5,5 hodiny denne) s intenzitou 1000 W/m2, hoci maximálne osvetlenie na poludnie na ploche orientovanej kolmo na svetelný tok nepresahuje 700-750 W /m2.
Modul s výkonom Pw počas zvoleného obdobia vygeneruje nasledovné množstvo energie: W = k Pw E / 1000, kde E je hodnota slnečného žiarenia pre zvolené obdobie, k-koeficient rovný 0,5 v lete a 0,7 v zime.
Tento koeficient koriguje stratu výkonu solárnych článkov pri zahrievaní na slnku a zohľadňuje aj šikmý dopad lúčov na povrch modulov počas dňa.
Rozdiel v jeho hodnote v zime a v lete je spôsobený menším ohrevom prvkov v zime.
Na základe celkového výkonu spotrebovanej energie a vyššie uvedeného vzorca je ľahké vypočítať celkový výkon modulov. A keď to poznáme, jednoducho to vydelíme silou jedného modulu, dostaneme počet modulov.
Pri vytváraní solárnej elektrárne sa dôrazne odporúča čo najviac znížiť výkon spotrebiteľov. Napríklad ako iluminátory používajte (ak je to možné) iba žiarivky. Takéto svietidlá so spotrebou 5-krát menšou poskytujú svetelný tok ekvivalentný svetelnému toku žiarovky.
Pre malé FV systémy je vhodné inštalovať jeho moduly na otočnú konzolu pre optimálnu rotáciu voči dopadajúcim lúčom. Tým sa zvýši kapacita stanice o 20 – 30 %.
Trochu o invertoroch.
Invertory alebo meniče jednosmerného prúdu na striedavý prúd sú navrhnuté tak, aby poskytovali vysokokvalitné napájanie rôznych zariadení a zariadení v podmienkach neprítomnosti alebo nízkej kvality siete striedavého prúdu s frekvenciou 50 Hz a napätím 220 V, rôzne havarijné situácie a pod.
Striedač je impulzný menič jednosmerného prúdu s napätím 12 (24, 48, 60) V na striedavý prúd so stabilizovaným napätím 220 V s frekvenciou 50 Hz. Väčšina meničov má na výstupe STABILIZOVANÉ SINUSOIDÁLNE napätie, čo umožňuje ich použitie na napájanie takmer akýchkoľvek zariadení a zariadení.
Konštrukčne je menič vyrobený vo forme stolovej jednotky. Na prednom paneli meniča sa nachádza spínač prevádzky produktu a indikátor prevádzky meniča. Na zadnom paneli produktu sú kolíky (svorky) na pripojenie zdroja jednosmerného prúdu, napríklad batérie, uzemňovací kolík krytu meniča, otvor s uchytením ventilátora (chladenie) a trojpólová Euro zásuvka na pripojenie záťaže.
Stabilizované napätie na výstupe meniča umožňuje zabezpečiť kvalitné napájanie záťaže pri zmene/kolísaní vstupného napätia, napríklad pri vybití batérie, alebo kolísaní prúdu spotrebovaného záťažou. Zaručené galvanické oddelenie zdroja jednosmerného prúdu na vstupe a obvodu striedavého prúdu so záťažou na výstupe meniča umožňuje neprijímať dodatočné opatrenia na zaistenie bezpečnosti prevádzky pri použití rôznych zdrojov jednosmerného prúdu alebo akýchkoľvek elektrických zariadení. Nútené chladenie výkonovej časti a nízka hlučnosť pri prevádzke meniča umožňujú na jednej strane zabezpečiť dobré hmotnostné a rozmerové vlastnosti produktu, na druhej strane pri tomto type chladenia nespôsobujú nepríjemnosti. počas prevádzky vo forme hluku.
- Zabudovaný ovládací panel s elektronickým displejom
- Potenciometer kapacity, ktorý umožňuje presné nastavenie
- Normalizovaný pás s kolíkovým pripojením: WE WY STEROW
- Zabudované spätné brzdenie
- Radiátor s ventilátorom
- Estetické zapínanie
- Napájanie 230 V - 400 V
- Preťaženie 150% - 60s
- Čas nábehu 0,01...1000 sekúnd
- Vstavaný elektrický filter, trieda A
- Prevádzková teplota: -5°C - až +45°C
- Port RS 485
- Nastavenie frekvenčného kroku: 0,01 Hz - 1 kHz
- Trieda ochrany IP20
Funkčne zabezpečuje: zvýšenie, zníženie frekvencie, kontrolu preťaženia a prehriatia.
Väčšina obnoviteľných druhov energie – vodná energia, mechanická a tepelná energia zo svetových oceánov, veterná a geotermálna energia – sa vyznačuje buď obmedzeným potenciálom, alebo značnými ťažkosťami pri rozšírenom využívaní. Celkový potenciál väčšiny obnoviteľných zdrojov energie zvýši spotrebu energie zo súčasných úrovní len rádovo. Existuje však aj iný zdroj energie – Slnko. Slnko, hviezda spektrálnej triedy 2, žltý trpaslík, je veľmi priemerná hviezda vo všetkých svojich hlavných parametroch: hmotnosť, polomer, teplota a absolútna magnitúda. Ale táto hviezda má jednu jedinečnú vlastnosť - je to „naša hviezda“ a ľudstvo vďačí za celú svoju existenciu tejto priemernej hviezde. Naša hviezda dodáva Zemi výkon asi 10 17 W - taká je sila „slnečného zajačika“ s priemerom 12,7 tisíc km, ktorý neustále osvetľuje stranu našej planéty privrátenú k Slnku. Intenzita slnečného žiarenia na hladine mora v južných zemepisných šírkach, keď je Slnko v zenite, je 1 kW/m2. Vývojom vysoko účinných metód premeny slnečnej energie môže Slnko pokryť rýchlo rastúce potreby energie na mnoho stoviek rokov.
Argumenty odporcov rozsiahleho využívania slnečnej energie sa scvrkávajú najmä na tieto argumenty:
1. Špecifický výkon slnečného žiarenia je malý a premena slnečnej energie vo veľkom meradle si vyžiada veľmi veľké plochy.
2. Premena slnečnej energie je veľmi drahá a vyžaduje si takmer nereálne náklady na materiál a prácu.
Aká veľká bude plocha Zeme pokrytá konvertorovými systémami na výrobu významného podielu elektriny v globálnom energetickom rozpočte? Je zrejmé, že táto oblasť závisí od účinnosti použitých konvertorových systémov. Na posúdenie účinnosti fotovoltických meničov, ktoré priamo premieňajú slnečnú energiu na elektrickú energiu pomocou polovodičových fotočlánkov, zavedieme pojem koeficient výkonu (účinnosti) fotočlánku, ktorý je definovaný ako pomer výkonu elektriny vyrobenej daným prvkom k výkonu. sila slnečného lúča dopadajúceho na povrch fotobunky. Pri účinnosti solárnych konvertorov rovnajúcej sa 10 % (typické hodnoty účinnosti pre kremíkové fotočlánky, široko používané v sériovej priemyselnej výrobe pre potreby pozemnej energie) by teda na výrobu 10 12 W elektriny bolo potrebné pokryť plochu 4 * 10 10 m 2 fotokonvertormi rovnajúcu sa štvorcu so stranou 200 km. V tomto prípade sa intenzita slnečného žiarenia považuje za 250 W/m 2 , čo zodpovedá typickej priemernej hodnote počas celého roka pre južné zemepisné šírky. To znamená, že „nízka hustota“ slnečného žiarenia nie je prekážkou rozvoja slnečnej energie vo veľkom meradle.
Vyššie uvedené úvahy sú dosť presvedčivým argumentom: problém premeny slnečnej energie musí byť vyriešený už dnes, aby sa táto energia mohla využívať zajtra. O tomto probléme možno aspoň vtipne uvažovať v rámci riešenia energetických problémov riadenej termonukleárnej fúzie, kedy efektívny reaktor (Slnko) vytvára sama príroda a poskytuje zdroj na spoľahlivú a bezpečnú prevádzku na mnoho miliónov rokov, a to aj na naše úlohou je len vyvinúť pozemnú konvertorovú rozvodňu. V poslednej dobe sa vo svete uskutočnil rozsiahly výskum v oblasti solárnej energie, ktorý ukázal, že v blízkej budúcnosti sa tento spôsob výroby energie môže stať ekonomicky opodstatneným a nájsť široké uplatnenie.
Rusko je bohaté na prírodné zdroje. Máme značné zásoby fosílnych palív – uhlia, ropy, plynu. Veľký význam pre našu krajinu má však aj využívanie slnečnej energie. Napriek tomu, že významná časť územia Ruska leží vo vysokých zemepisných šírkach, niektoré veľmi veľké južné regióny našej krajiny majú veľmi priaznivé podnebie pre široké využitie slnečnej energie.
Využitie slnečnej energie má ešte väčšiu perspektívu v krajinách rovníkového pásu Zeme a oblastiach blízko tohto pásu, ktoré sa vyznačujú vysokou úrovňou slnečnej energie. V mnohých regiónoch Strednej Ázie teda trvanie priameho slnečného žiarenia dosahuje 3 000 hodín ročne a ročný prílev slnečnej energie na vodorovný povrch je 1 500 - 1 850 kW za hodinu / m2.
Hlavné smery práce v oblasti premeny slnečnej energie sú v súčasnosti:
— priamy tepelný ohrev (príjem tepelnej energie) a termodynamická premena (príjem elektrickej energie s prechodnou premenou slnečnej energie na teplo);
— fotoelektrická premena slnečnej energie.
Priame tepelné vykurovanie je najjednoduchší spôsob premeny slnečnej energie a je široko používaný v južných oblastiach Ruska a v rovníkových krajinách pri solárnych vykurovacích zariadeniach, zásobovaní teplou vodou, chladení budov, odsoľovaní vody atď. Základom solárnych zariadení využívajúcich teplo sú ploché slnečné kolektory - absorbéry slnečného žiarenia. Voda alebo iná kvapalina, ktorá je v kontakte s absorbérom, sa ohrieva a odstraňuje z neho pomocou čerpadla alebo prirodzenej cirkulácie. Ohriata kvapalina sa potom dostáva do skladu, odkiaľ sa podľa potreby spotrebuje. Toto zariadenie pripomína systémy zásobovania teplou vodou pre domácnosť.
Elektrina je najpohodlnejší druh energie na použitie a prenos. Preto je pochopiteľný záujem výskumníkov o vývoj a tvorbu solárnych elektrární, ktoré využívajú medzipremenu slnečnej energie na teplo s jej následnou premenou na elektrinu.
Vo svete sú v súčasnosti najbežnejšie solárne tepelné elektrárne dvoch typov: 1) vežový typ s koncentráciou slnečnej energie na jeden solárny prijímač, realizovaný pomocou veľkého počtu plochých zrkadiel; 2) rozptýlené systémy paraboloidov a parabolických valcov, v ktorých ohniskách sú umiestnené tepelné prijímače a meniče s nízkym výkonom.
2. VÝVOJ SLNEČNEJ ENERGIE
Koncom 70. a začiatkom 80. rokov bolo v rôznych krajinách sveta vybudovaných sedem pilotných solárnych elektrární (SPP) takzvaného vežového typu s výkonom 0,5 až 10 MW. Najväčšia solárna elektráreň s výkonom 10 MW (Solar One) bola postavená v Kalifornii. Všetky tieto solárne elektrárne sú postavené na rovnakom princípe: pole zrkadiel heliostatu umiestnených na úrovni zeme, ktoré sledujú slnko, odráža slnečné lúče na prijímač namontovaný na vrchole pomerne vysokej veže. Prijímač je v podstate solárny kotol, v ktorom sa vytvára vodná para priemerných parametrov, ktorá sa následne posiela do štandardnej parnej turbíny.
Druhý projekt, vežovú solárnu elektráreň PHOEBUS, realizuje nemecké konzorcium. Projekt zahŕňa vytvorenie demonštračnej hybridnej (solárno-palivovej) solárnej elektrárne s výkonom 30 MW s objemovým prijímačom, v ktorom sa bude ohrievať atmosférický vzduch, ktorý je následne posielaný do parného kotla, kde vzniká vodná para, ktorý funguje v Rankinovom cykle. Na ceste vzduchu od prijímača ku kotlu má horák spaľovať zemný plyn, ktorého množstvo je regulované tak, aby sa udržal stanovený výkon počas celého denného svetla. Výpočty ukazujú, že napríklad pri ročnom slnečnom žiarení 6,5 GJ/m2 (podobne ako je typické pre južné oblasti Ukrajiny) táto solárna elektráreň s celkovou plochou heliostatu 160 tisíc m2 dostane 290,2 GW. *h/rok solárnej energie a množstvo energie dodanej s palivom bude 176,0 GWh/rok. Solárna elektráreň zároveň vyrobí 87,9 GWh elektriny ročne s priemernou ročnou účinnosťou 18,8 %. Pri takýchto ukazovateľoch možno očakávať, že náklady na elektrinu vyrobenú v solárnej elektrárni budú na úrovni tepelných elektrární využívajúcich fosílne palivá.
Od polovice 80. rokov v južnej Kalifornii spoločnosť LUZ vytvorila a uviedla do komerčnej prevádzky deväť solárnych elektrární s parabolickými valcovými koncentrátormi (PCC) s jednotkovou kapacitou, ktorá vzrástla od prvej solárnej elektrárne po ďalšiu z 13,8 na 80 MW. . Celkový výkon týchto solárnych elektrární dosiahol 350 MW. V týchto SES boli použité PCC s clonou, ktorá sa pri prechode z prvej SES na ďalšie zväčšovala. Sledovaním slnka na jednej osi koncentrátory sústreďujú slnečné žiarenie na rúrkové prijímače uzavreté vo vákuových trubiciach. Vnútri prijímača prúdi vysokoteplotná chladiaca kvapalina, ktorá sa zohreje na 380 °C a potom odovzdá teplo vodnej pary generátoru pary. Konštrukcia týchto solárnych elektrární tiež umožňuje spaľovanie určitého množstva zemného plynu v parnom generátore na výrobu dodatočnej špičkovej elektriny, ako aj na kompenzáciu zníženého slnečného žiarenia.
Tieto solárne elektrárne boli vytvorené a prevádzkované v čase, keď v Spojených štátoch existovali zákony, ktoré umožňovali solárnym elektrárňam fungovať na hranici rentability. Skončenie platnosti týchto zákonov koncom 80. rokov viedlo k tomu, že spoločnosť LUZ skrachovala a výstavba nových solárnych elektrární tohto typu bola zastavená.
Spoločnosť KJC (Kramer Junction Company), ktorá prevádzkovala päť z deviatich vybudovaných solárnych elektrární (z 3 na 7), si dala za úlohu zvýšiť účinnosť týchto solárnych elektrární, znížiť náklady na ich prevádzku a urobiť ich ekonomicky atraktívnymi. v nových podmienkach. Tento program sa v súčasnosti úspešne implementuje.
Švajčiarsko sa stalo jedným z lídrov vo využívaní slnečnej energie. Podľa údajov z roku 1997 tu bolo vybudovaných približne 2 600 solárnych zariadení na báze fotoelektrických konvertorov s výkonom 1 až 1 000 kW. Program s názvom „Solar-91“ a realizovaný pod heslom „Za energeticky nezávislé Švajčiarsko“ významne prispieva k riešeniu environmentálnych problémov a energetickej nezávislosti krajiny, ktorá dnes dováža viac ako 70 % svojej energie. Na strechy a fasády budov sa najčastejšie inštaluje solárna elektráreň s výkonom 2-3 kW. Táto inštalácia produkuje v priemere 2 000 kWh elektriny ročne, čo je dosť pre domáce potreby priemerného švajčiarskeho domova. Veľké firmy inštalujú na strechy výrobných budov solárne inštalácie s výkonom do 300 kW. Takáto stanica pokrýva spotrebu elektrickej energie podniku o 50-60%.
V alpskej vysočine, kde je nerentabilné položiť elektrické vedenie, sa stavajú aj vysokovýkonné solárne elektrárne. Prevádzkové skúsenosti ukazujú, že Slnko je už schopné uspokojiť potreby všetkých obytných budov v krajine. Solárne inštalácie, umiestnené na strechách a stenách domov, na protihlukových stenách diaľnic, na dopravných a priemyselných stavbách, nevyžadujú na svoje umiestnenie nákladné poľnohospodárske územie. Autonómna solárna inštalácia pri obci Grimsel zabezpečuje elektrinu pre nepretržité osvetlenie cestného tunela. V blízkosti mesta Shur poskytujú solárne panely inštalované na 700-metrovom úseku protihlukovej steny 100 kW elektriny ročne.
Moderný koncept využitia slnečnej energie sa najplnšie prejavil pri výstavbe budov závodu na výrobu okien v Arisdorfe, kde solárne panely s celkovým výkonom 50 kW dostali pri návrhu dodatočnú úlohu ako podlahové a fasádne prvky. Účinnosť solárnych konvertorov pri silnom ohreve citeľne klesá, preto sú pod panely uložené ventilačné potrubia na čerpanie vonkajšieho vzduchu. Ako dekoratívny obklad pôsobia tmavomodré fotokonvertory trblietajúce sa na slnku na južnej a západnej fasáde administratívnej budovy, dodávajúce elektrinu do siete.
V rozvojových krajinách sa relatívne malé zariadenia používajú na dodávku elektriny do jednotlivých domov, v odľahlých dedinách na vybavenie kultúrnych centier, kde vďaka PMT môžete používať televízory atď. V tomto prípade nejde o náklady na elektrinu do popredia, ale spoločenský efekt. Programy zavádzania fotovoltaiky v týchto krajinách sú aktívne podporované medzinárodnými organizáciami, na ich financovaní sa podieľa Svetová banka na základe ňou predloženej „Slnečnej iniciatívy“. Napríklad v Keni bolo za posledných 5 rokov elektrifikovaných 20 000 vidieckych domov pomocou fotovoltaiky. Veľký program zavádzania fotonásobičov sa realizuje v Indii, kde v rokoch 1986 - 1992. Na inštaláciu PMT vo vidieckych oblastiach bolo vynaložených 690 miliónov rupií.
V priemyselných krajinách sa aktívna implementácia fotonásobičov vysvetľuje viacerými faktormi. Po prvé, PMT sa považujú za zdroje šetrné k životnému prostrediu, ktoré môžu znížiť škodlivé účinky na životné prostredie. Po druhé, použitie PMT v súkromných domoch zvyšuje energetickú autonómiu a chráni majiteľa v prípade možných prerušení centralizovaného napájania.
3. FOTOVOLTAICKÁ PREMENA SLNEČNEJ ENERGIE
Dôležitým príspevkom k pochopeniu mechanizmu pôsobenia fotoelektrického javu v polovodičoch bol zakladateľ Fyzikálno-technického inštitútu (PTI) Ruskej akadémie vied, akademik A.F. Ioffe. O využití polovodičových fotočlánkov v slnečnej energii sníval už v tridsiatych rokoch, keď B.T. Kolomiets a Yu.P. Maslakovets vytvoril sírovo-táliové solárne články vo Fyzikálnom inštitúte s rekordnou účinnosťou v tom čase = 1%.
Široké praktické využitie solárnych panelov na energetické účely sa začalo v roku 1958 vypustením umelých družíc Zeme – sovietskeho Sputniku-3 a amerického Avangardu-1. Od tej doby, viac ako 35 rokov, sú polovodičové solárne batérie hlavným a takmer jediným zdrojom energie pre kozmické lode a veľké orbitálne stanice ako Saljut a Mir. Rozsiahle základy nahromadené vedcami v oblasti solárnych batérií pre vesmírne aplikácie tiež umožnili rozvinúť prácu na pozemnej fotovoltaickej energii.
Základom fotočlánkov je polovodičová štruktúra s p-n prechodom, ktorá sa objavuje na rozhraní dvoch polovodičov s rôznym mechanizmom vedenia. Všimnite si, že táto terminológia pochádza z anglických slov pozitívny (pozitívny) a negatívny (negatívny). Rôzne typy vodivosti sa získajú zmenou typu nečistôt zavedených do polovodiča. Napríklad atómy skupiny III periodickej tabuľky D.I. Mendeleev, zavedený do kryštálovej mriežky kremíka, dáva druhému otvoru (pozitívnu) vodivosť a nečistoty skupiny V - elektronické (negatívne). Kontakt p alebo n polovodičov vedie k vytvoreniu kontaktného elektrického poľa medzi nimi, ktoré hrá mimoriadne dôležitú úlohu pri prevádzke solárneho fotočlánku. Vysvetlíme dôvod vzniku rozdielu kontaktného potenciálu. Pri spojení polovodičov typu p a n do jedného monokryštálu vzniká difúzny tok elektrónov z polovodiča typu n do polovodiča typu p a naopak tok dier z polovodiča typu p do n. V dôsledku tohto procesu bude časť polovodiča typu p susediaca s prechodom p-n nabitá záporne a časť polovodiča typu n susediaca s prechodom p-n naopak získa kladný náboj. V blízkosti p-n prechodu sa teda vytvorí dvojitá nabitá vrstva, ktorá pôsobí proti procesu difúzie elektrónov a dier. Difúzia má totiž tendenciu vytvárať tok elektrónov z n-oblasti do p-oblasti a pole nabitej vrstvy naopak vracia elektróny do n-oblasti. Podobne pole v pn prechode pôsobí proti difúzii otvorov z p- do n-oblasti. V dôsledku dvoch opačne pôsobiacich procesov (difúzia a pohyb prúdových nosičov v elektrickom poli) vzniká stacionárny, rovnovážny stav: na hranici sa objaví nabitá vrstva, ktorá bráni prenikaniu elektrónov z n-polovodiča a otvory z p-polovodiča. Inými slovami, v oblasti p-n prechodu vzniká energetická (potenciálna) bariéra, na prekonanie ktorej musia elektróny z n-polovodiča a diery z p-polovodiča vynaložiť určitú energiu. Bez zastavenia opisu elektrických charakteristík pn prechodu, ktorý je široko používaný v usmerňovačoch, tranzistoroch a iných polovodičových zariadeniach, uvažujme o prevádzke pn prechodu vo fotobunkách.
Keď je svetlo absorbované v polovodiči, páry elektrón-diera sú excitované. V homogénnom polovodiči fotoexcitácia zvyšuje iba energiu elektrónov a dier bez ich oddelenia v priestore, to znamená, že elektróny a diery sú oddelené v „energetickom priestore“, ale zostávajú blízko seba v geometrickom priestore. Na oddelenie nosičov prúdu a objavenie sa fotoelektromotorickej sily (fotoEMF) musí existovať dodatočná sila. Najúčinnejšia separácia nerovnovážnych nosičov nastáva práve v oblasti pn prechodu. „Menšinové“ nosiče generované v blízkosti p-n prechodu (diery v n-polovodiči a elektróny v p-polovodiči) difundujú do p-n prechodu, sú zachytené poľom p-n prechodu a vrhnuté do polovodiča, v ktorom sa stávajú väčšinové nosiče: elektróny budú lokalizované v polovodiči typu n a diery v polovodiči typu p. Výsledkom je, že polovodič typu p dostáva nadbytočný kladný náboj a polovodič typu n záporný náboj. Potenciálny rozdiel – fotoEMF – sa vyskytuje medzi n- a p-oblasťami fotobunky. Polarita fotoEMF zodpovedá „doprednému“ predpätiu p-n prechodu, čo znižuje výšku bariéry a podporuje vstrekovanie otvorov z p-oblasti do n-oblasti a elektrónov z n-oblasti do p-oblasti . V dôsledku pôsobenia týchto dvoch protichodných mechanizmov - akumulácia nosičov prúdu pod vplyvom svetla a ich odtok v dôsledku zníženia výšky potenciálnej bariéry - pri rôznych intenzitách svetla sa stanovujú rôzne hodnoty fotonapätia. V tomto prípade sa hodnota fotonapätia v širokom rozsahu osvetlenia zvyšuje úmerne s logaritmom intenzity svetla. Pri veľmi vysokej intenzite svetla, keď sa potenciálna bariéra ukáže ako prakticky nulová, hodnota fotoEMF dosiahne „saturáciu“ a rovná sa výške bariéry na neosvetlenom p-n križovatke. Pri vystavení priamemu, ako aj slnečnému žiareniu koncentrovanému až 100-1000 krát, je hodnota fotoEMF 50-85% rozdielu kontaktného potenciálu p-n prechodu.
Uvažuje sa teda o procese výskytu fotonapätia, ktorý sa vyskytuje na kontaktoch p- a n-oblastí p-n prechodu. Keď je osvetlený pn prechod skratovaný, v elektrickom obvode bude prúdiť prúd, ktorý je úmerný intenzite osvetlenia a počtu párov elektrón-diera generovaných svetlom. Keď sa k elektrickému obvodu pripojí užitočné zaťaženie, napríklad kalkulačka napájaná solárnou batériou, prúd v obvode sa mierne zníži. Elektrický odpor užitočného zaťaženia v okruhu solárnych článkov sa zvyčajne volí tak, aby sa získal maximálny elektrický výkon dodávaný do tohto zaťaženia.
Solárny fotočlánok je vyrobený z plátku vyrobeného z polovodičového materiálu, ako je kremík. V platni sú vytvorené oblasti s p- a n-typmi vodivosti. Medzi metódy vytvárania týchto oblastí patrí napríklad metóda difúzie nečistôt alebo metóda narastania jedného polovodiča na druhý. Potom sa vytvoria spodný a horný elektrický kontakt, pričom spodný kontakt je pevný a horný kontakt je vytvorený vo forme hrebeňovej štruktúry (tenké pásiky spojené pomerne širokou zbernicou prúdu).
Hlavným materiálom na výrobu solárnych článkov je kremík. Technológia výroby polovodičového kremíka a fotočlánkov na jeho základe je založená na metódach vyvinutých v mikroelektronike - najrozvinutejšej priemyselnej technológii. Kremík je zjavne vo všeobecnosti jedným z najviac študovaných materiálov v prírode a zároveň druhým najrozšírenejším po kyslíku. Vzhľadom na to, že prvé solárne články boli vyrobené z kremíka asi pred štyridsiatimi rokmi, je prirodzené, že tento materiál hrá prvé husle v programoch solárnej fotovoltaickej energie. Fotočlánky vyrobené z monokryštalického kremíka spájajú výhody použitia relatívne lacného polovodičového materiálu s vysokými parametrami zariadení z neho získaných.
Až donedávna sa solárne články pre pozemné použitie, ako aj pre vesmírne aplikácie, vyrábali na báze pomerne drahého monokryštalického kremíka. Zníženie nákladov na počiatočný kremík, vývoj vysokovýkonných metód na výrobu doštičiek z ingotov a pokročilé technológie na výrobu solárnych článkov umožnili niekoľkonásobne znížiť náklady na pozemné solárne články, ktoré sú na nich založené. Hlavné oblasti práce na ďalšom znižovaní nákladov na solárnu elektrinu sú: získavanie prvkov na báze lacného, vrátane pásika, polykryštalického kremíka; vývoj lacných tenkovrstvových prvkov na báze amorfného kremíka a iných polovodičových materiálov; Premena koncentrovaného slnečného žiarenia pomocou vysoko účinných prvkov na báze kremíka a relatívne nového polovodičového materiálu hliník-gálium-arzén.
Fresnelova šošovka je doska vyrobená z plexiskla s hrúbkou 1–3 mm, ktorej jedna strana je plochá a na druhej strane profil vo forme sústredných krúžkov, ktoré opakujú profil konvexnej šošovky. Fresnelove šošovky sú výrazne lacnejšie ako bežné konvexné šošovky a poskytujú stupeň koncentrácie 2 - 3 tisíc „sĺnk“.
V posledných rokoch sa vo svete dosiahol významný pokrok vo vývoji kremíkových solárnych článkov, ktoré fungujú pri koncentrovanom slnečnom žiarení. Kremíkové prvky s účinnosťou > 25 % vznikli v podmienkach ožiarenia na povrchu Zeme v koncentračnom stupni 20 - 50 „sĺnk“. Výrazne väčšie stupne koncentrácie umožňujú fotobunky na báze polovodičového materiálu hliník-gálium-arzén, prvýkrát vytvorený vo Fyzikálno-technickom inštitúte. A.F. Ioffe v roku 1969. V takýchto solárnych článkoch sa dosahujú hodnoty účinnosti > 25 % pri úrovniach koncentrácie až 1000-krát. Napriek vysokej cene takýchto prvkov sa ich podiel na nákladoch na vyrobenú elektrinu neukazuje pri vysokých stupňoch koncentrácie slnečného žiarenia rozhodujúci v dôsledku výrazného (až 1000-násobného) zmenšenia ich plochy. Situácia, v ktorej náklady na fotobunky významne neprispievajú k celkovým nákladom na solárnu elektráreň, oprávňuje komplikovať a zvyšovať cenu fotobuniek, ak sa tým zabezpečí zvýšenie účinnosti. To vysvetľuje súčasnú pozornosť venovanú vývoju kaskádových solárnych článkov, ktoré umožňujú dosiahnuť výrazné zvýšenie účinnosti. V kaskádovom solárnom článku je slnečné spektrum rozdelené na dve (alebo viac) častí, napríklad viditeľnú a infračervenú, pričom každá z nich sa premieňa pomocou fotočlánkov vyrobených z rôznych materiálov. V tomto prípade sa znížia energetické straty kvánt slnečného žiarenia. Napríklad v dvojprvkových kaskádach teoretická hodnota účinnosti presahuje 40 %.
Solárna energia- smer netradičnej energie založený na priamom využití slnečného žiarenia na získavanie energie v akejkoľvek forme. Solárna energia využíva nevyčerpateľný zdroj energie a je šetrná k životnému prostrediu, to znamená, že neprodukuje škodlivý odpad. Výroba energie pomocou solárnych elektrární dobre zapadá do koncepcie distribuovanej výroby energie.
Fotovoltaika- spôsob výroby elektrickej energie využívaním fotocitlivých prvkov na premenu slnečnej energie na elektrickú.
Solárna tepelná energia- jedna z metód praktického využitia obnoviteľného zdroja energie - slnečnej energie, využívaná na premenu slnečného žiarenia na teplo vody alebo nízkovriace kvapalné chladivo. Solárna tepelná energia sa využíva ako na priemyselnú výrobu elektriny, tak aj na ohrev vody pre domáce použitie.
Solárna batéria- každodenný výraz používaný v hovorovej reči alebo v nevedeckej tlači. Pojem „solárna batéria“ alebo „solárny panel“ zvyčajne označuje niekoľko kombinovaných fotovoltaických meničov (fotočlánkov) - polovodičových zariadení, ktoré priamo premieňajú slnečnú energiu na jednosmerný elektrický prúd.
Termín "fotovoltaika" sa vzťahuje na normálny prevádzkový režim fotodiódy, v ktorom je elektrický prúd generovaný výlučne premenenou svetelnou energiou. V skutočnosti sú všetky fotovoltaické zariadenia rôznymi druhmi fotodiód.
Fotoelektrické konvertory (PVC)
Vo fotovoltaických systémoch sa premena slnečnej energie na elektrickú energiu uskutočňuje vo fotovoltaických konvertoroch (PVC). V závislosti od materiálu, dizajnu a spôsobu výroby je zvykom rozlišovať tri generácie FV článkov:
Prvá generácia solárnych článkov na báze kryštalických kremíkových doštičiek;
FEC druhej generácie na báze tenkých vrstiev;
FEC tretej generácie na báze organických a anorganických materiálov.
Na zvýšenie účinnosti premeny slnečnej energie sa vyvíjajú solárne články založené na kaskádových viacvrstvových štruktúrach.
FEP prvej generácie
V súčasnosti sú najpoužívanejšie solárne články prvej generácie na báze kryštalických doštičiek. Za posledné dva roky sa výrobcom podarilo znížiť náklady na výrobu takýchto FV článkov, čo im zabezpečilo posilnenie pozície na svetovom trhu.
Typy solárnych článkov prvej generácie:
monokryštalický kremík (mc-Si),
polykryštalický kremík (m-Si),
založené na GaAs,
páskové technológie (EFG, S-web),
tenkovrstvový polysilikón (Apex).
FEP druhej generácie
Technológia výroby tenkovrstvových solárnych článkov druhej generácie zahŕňa nanášanie vrstiev pomocou vákuovej metódy. Vákuová technológia je v porovnaní s technológiou výroby kryštalických solárnych článkov menej energeticky náročná a vyznačuje sa aj nižším objemom kapitálových investícií. Umožňuje výrobu flexibilných, lacných solárnych článkov s veľkou plochou, ale koeficient premeny takýchto prvkov je v porovnaní so solárnymi článkami prvej generácie nižší.
Druhy solárnych článkov druhej generácie:
amorfný kremík (a-Si),
mikro- a nanokremík (μc-Si/nc-Si),
kremík na skle (CSG),
telurid kadmia (CdTe),
Meď (indium-)gálium (di)selenid (CI(G)S).
FEP tretej generácie
Myšlienkou vytvorenia solárnych článkov tretej generácie bolo ďalšie zníženie nákladov na solárne články, upustenie od používania drahých a toxických materiálov v prospech lacných a recyklovateľných polymérov a elektrolytov. Dôležitým rozdielom je aj možnosť nanášania vrstiev pomocou tlačových metód.
V súčasnosti je väčšina projektov v oblasti solárnych článkov tretej generácie v štádiu výskumu.
Typy solárnych článkov tretej generácie:
fotosenzibilizované farbivo (DSC),
organické (OPV),
anorganické (CTZSS).
Inštalácia a použitie
FV články sú zostavené do modulov, ktoré majú štandardizované inštalačné rozmery, elektrické parametre a ukazovatele spoľahlivosti. Na inštaláciu a prenos elektriny sú solárne moduly vybavené prúdovými invertormi, batériami a ďalšími prvkami elektrických a mechanických subsystémov.
V závislosti od oblasti použitia sa rozlišujú tieto typy inštalácií solárnych systémov:
súkromné nízkoenergetické stanice umiestnené na strechách domov;
komerčné stanice s nízkym a stredným výkonom, umiestnené na strechách aj na zemi;
priemyselné solárne stanice poskytujúce energiu mnohým spotrebiteľom.
Maximálne hodnoty účinnosti fotobuniek a modulov dosiahnuté v laboratórnych podmienkach
Faktory ovplyvňujúce účinnosť fotobuniek
Z výkonových charakteristík fotovoltaického panelu je zrejmé, že na dosiahnutie čo najväčšej účinnosti je potrebný správny výber záťažového odporu. K tomu sa fotovoltické panely nepripájajú priamo k záťaži, ale využívajú ovládač riadenia fotovoltických systémov, ktorý zabezpečuje optimálnu prevádzku panelov.
Výroba
Veľmi často jednotlivé fotobunky nevyrábajú dostatok energie. Preto sa určitý počet FV prvkov spája do takzvaných fotovoltaických solárnych modulov a medzi sklenené dosky je namontovaná výstuž. Táto montáž môže byť plne automatizovaná.
Výhody
Verejná dostupnosť a nevyčerpateľnosť prameňa.
Bezpečnosť pre životné prostredie – aj keď existuje možnosť, že plošné zavedenie slnečnej energie môže zmeniť albedo (charakteristiku schopnosti odrážať (rozptyl)) zemského povrchu a viesť ku klimatickým zmenám (avšak vzhľadom na súčasnú úroveň spotreby energie, je to mimoriadne nepravdepodobné).
Nedostatky
Závisí od počasia a dennej doby.
Potreba skladovania energie.
V priemyselnej výrobe je potrebné duplikovať solárne ES s manévrovateľnými ES porovnateľného výkonu.
Vysoké náklady na výstavbu spojené s použitím vzácnych prvkov (napríklad indium a telúr).
Potreba pravidelného čistenia reflexného povrchu od prachu.
Ohrievanie atmosféry nad elektrárňou.
Účinnosť konverzie závisí od elektrických charakteristík nehomogénnej polovodičovej štruktúry, ako aj od optických vlastností solárneho článku, medzi ktorými zohráva najdôležitejšiu úlohu fotovodivosť. Je to spôsobené javmi vnútorného fotoelektrického javu v polovodičoch pri ožiarení slnečným žiarením.
Hlavné nevratné straty energie v solárnych článkoch sú spojené s:
odraz slnečného žiarenia od povrchu konvertora,
prechod časti žiarenia cez fotovoltaický článok bez absorpcie v ňom,
rozptyl prebytočnej fotónovej energie na tepelných vibráciách mriežky,
rekombinácia vytvorených fotopárov na povrchoch a v objeme fotovoltaického článku,
vnútorný odpor meniča a pod.
