Ефективне перетворення безкоштовних променів сонця на енергію, яку можна використовувати для електропостачання житла та інших об'єктів, – заповітна мрія багатьох апологетів зеленої енергетики.
Але принцип роботи сонячної батареї, та її ККД такі, що про високу ефективність таких систем поки що говорити не доводиться. Було б непогано придбати власне додаткове джерело електроенергії. Чи не так? Тим більше, що вже сьогодні і в Росії за допомогою геліопанелей "дармовою" електроенергією успішно постачається чимала кількість приватних домогосподарств. Ви все ще не знаєте, з чого почати?
Нижче ми розповімо вам про пристрій та принципи роботи сонячної панелі, ви дізнаєтесь, від чого залежить ефективність геліосистеми. А розміщені у статті відеоролики допоможуть власноруч зібрати сонячну панель із фотоелементів.
У тематиці «сонячної енергетики» досить багато нюансів та плутанини. Часто новачкам розібратися в усіх незнайомих термінах спочатку важко. Але без цього займатися геліоенергетикою, купуючи собі обладнання для генерації "сонячного" струму, нерозумно.
За незнанням можна не тільки вибрати невідповідну панель, але й просто спалити її при підключенні або витягти з неї занадто незначний обсяг енергії.
Галерея зображень
Максимум віддачі від сонячної панелі можна буде отримати тільки знаючи, як вона працює, з яких компонентів і вузлів складається і як все це правильно підключається
Другий нюанс – це поняття терміна «сонячна батарея». Зазвичай під словом «батарея» розуміється якийсь пристрій, що акумулює електроенергію. Або на думку спадає банальний опалювальний радіатор. Однак у випадку геліобатареїв ситуація кардинально інша. Вони нічого в собі не накопичують.
Деталі Опубліковано 27.12.2019Дорогі читачі! Колектив бібліотеки вітає вас із Новим роком та Різдвом! Від щирого серця бажаємо щастя, любові, здоров'я, успіхів і радості вам і вашим сім'ям!
Нехай наступний рік подарує вам добробут, порозуміння, гармонію та гарний настрій.
Удачі, процвітання та виконання найзаповітніших бажань у новому році!
Тестовий доступ до ЕБС Ibooks.ru
Деталі Опубліковано 03.12.2019Шановні читачі! До 31.12.2019 нашому університету надано тестовий доступ до ЕБС Ibooks.ru, де ви зможете ознайомитися з будь-якою книгою в режимі повнотекстового читання. Доступ можливий із усіх комп'ютерів мережі університету. Для отримання віддаленого доступу потрібна реєстрація.
«Генріх Йосипович Графтіо – до 150 – річчя від дня народження»
Деталі Опубліковано 02.12.2019Шановні читачі! У розділі "Віртуальні виставки" розміщено нову віртуальну виставку «Генріх Осипович Графтіо». У 2019 році виповнюється 150 років від дня народження Генріха Йосиповича – одного із засновників гідроенергетичної галузі нашої країни. Вчений-енциклопедист, талановитий інженер і видатний організатор, Генріх Осипович зробив величезний внесок у розвиток вітчизняної енергетики.
Виставку підготовлено співробітниками відділу наукової літератури бібліотеки. На виставці представлені праці Генріха Йосиповича з фонду історії ЛЕТИ та публікації про нього.
Ознайомитись з виставкою Ви можете
Тестовий доступ до Електронно-бібліотечної системи IPRbooks
Деталі Опубліковано 11.11.2019Шановні читачі! З 08.11.2019 р. по 31.12.2019 р. нашому університету надано безкоштовний тестовий доступ до найбільшої російської повнотекстової бази даних – Електронно-бібліотечної системи IPR BOOKS. ЕБС IPR BOOKS містить понад 130 000 видань, з яких понад 50 000 – унікальні навчальні та наукові видання. На платформі доступні актуальні книги, які неможливо знайти у відкритому доступі в мережі Інтернет.
Доступ можливий із усіх комп'ютерів мережі університету.
Для отримання віддаленого доступу необхідно звернутися до відділу електронних ресурсів (ауд. 1247) до адміністратора ВЧЗ Склеймової Поліни Юріївни або електронною поштою [email protected]з темою "Реєстрація в IPRbooks".
Види фотоелектричних перетворювачів
Найбільш ефективними з енергетичної точки зору пристроями для перетворення сонячної енергії на електричну (бо це прямий, одноступеневий перехід енергії) є напівпровідникові фотоелектричні перетворювачі (ФЕП). При характерній для ФЕП рівноважної температури близько 300-350 Кельвінів і Т сонця ~ 6000 К їх граничний теоретичний ККД >90%. Це означає, що в результаті оптимізації структури та параметрів перетворювача, спрямованої на зниження незворотних втрат енергії, цілком реально вдасться підняти практичний ККД до 50% і більше (у лабораторіях вже досягнуть ККД 40%).
Теоретичні дослідження та практичні розробки в галузі фотоелектричного перетворення сонячної енергії підтвердили можливість реалізації таких високих значень ККД з ФЕП та визначили основні шляхи досягнення цієї мети.
Перетворення енергії у ФЕП засноване на фотовольтаїчному ефекті, що виникає у неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного випромінювання. Неоднорідність структури ФЕП може бути отримана легуванням одного і того ж напівпровідника різними домішками (створення p - n-переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони-енергії відриву електрона з атома (створення гетеропереходів), або за рахунок зміни хімічного складу напівпровідника, що веде до появи градієнта ширини забороненої зони (створення варізонних структур). Можливі різні комбінації перерахованих способів. Ефективність перетворення залежить від електрофізичних характеристик неоднорідної напівпровідникової структури, а також оптичних властивостей ФЕП, серед яких найбільш важливу роль відіграє фотопровідність, обумовлена явищами внутрішнього фотоефекту напівпровідників при опроміненні їх сонячним світлом. Принцип роботи ФЕП можна пояснити на прикладі перетворювачів з p-n-переходом, які широко застосовуються в сучасній сонячній та космічній енергетиці. Електронно-дірковий перехід створюється шляхом легування пластинки монокристалічного напівпровідникового матеріалу з певним типом провідності (тобто або p-або n-типу) домішкою, що забезпечує створення поверхневого шару з провідністю протилежного типу.
Концентрація легуючої домішки в цьому шарі повинна бути значно вищою, ніж концентрація домішки в базовому (початковому монокристалі) матеріалі, щоб нейтралізувати наявні там основні вільні носії заряду та створити провідність протилежного знака. У межі n-і p-шарів у результаті перетікання зарядів утворюються збіднені зони з нескомпенсованим об'ємним позитивним зарядом у n-шарі та об'ємним негативним зарядом у p-шарі. Ці зони разом і утворюють p-n-перехід. Виниклий на переході потенційний бар'єр (контактна різниця потенціалів) перешкоджає проходженню основних носіїв заряду, тобто. електронів з боку p-шару, але безперешкодно пропускають неосновні носії у протилежних напрямках. Ця властивість p-n-переходів визначає можливість отримання фото-ЕРС при опроміненні ФЕП сонячним світлом. Створені світлом в обох шарах ФЕП нерівноважні носії заряду (електронно-діркові пари) поділяються на p-n-переході: неосновні носії (тобто електрони) вільно проходять через перехід, а основні (дірки) затримуються. Таким чином, під дією сонячного випромінювання через p-n-перехід в обох напрямках протікатиме струм нерівноважних неосновних носіїв заряду-фотоелектронів і фотодірок, що якраз і потрібно для роботи ФЕП. Якщо тепер замкнути зовнішній ланцюг, то електрони з n-шару, здійснивши роботу на навантаженні, повертатимуться в p-шар і там рекомбінуватимуть (об'єднуватимуться) з дірками, що рухаються всередині ФЕП у протилежному напрямку. Для збору та відведення електронів у зовнішній ланцюг на поверхні напівпровідникової структури ФЕП є контактна система. На передній, освітленій поверхні перетворювача контакти виконуються у вигляді сітки або гребінки, а на тильній можуть бути суцільними.
Основні незворотні втрати енергії у ФЕП пов'язані з:
- відображенням сонячного випромінювання від поверхні перетворювача,
- проходженням частини випромінювання через ФЕП без поглинання в ньому,
- розсіюванням на теплових коливаннях решітки надлишкової енергії фотонів,
- рекомбінацією фотопар, що утворилися, на поверхнях і в обсязі ФЕП,
- внутрішнім опором перетворювача,
- та деякими іншими фізичними процесами.
Для зменшення всіх видів втрат енергії у ФЕП розробляються та успішно застосовуються різні заходи. До них належать:
- використання напівпровідників із оптимальною для сонячного випромінювання шириною забороненої зони;
- спрямоване покращення властивостей напівпровідникової структури шляхом її оптимального легування та створення вбудованих електричних полів;
- перехід від гомогенних до гетерогенних та варізонних напівпровідникових структур;
- оптимізація конструктивних параметрів ФЕП (глибини залягання p-n-переходу, товщини базового шару, частоти контактної сітки та ін.);
- застосування багатофункціональних оптичних покриттів, що забезпечують просвітлення, терморегулювання та захист ФЕП від космічної радіації;
- розробка ФЕП, прозорих у довгохвильовій ділянці сонячного спектру за краєм основної смуги поглинання;
- створення каскадних ФЕП із спеціально підібраних за шириною забороненої зони напівпровідників, що дозволяють перетворювати в кожному каскаді випромінювання, що пройшло через попередній каскад, та ін;
Також суттєвого підвищення ККД ФЕП вдалося досягти за рахунок створення перетворювачів з двосторонньою чутливістю (до +80 % до вже наявного ККД однієї сторони), застосування люмінесцентно перевипромінюючих структур, попереднього розкладання сонячного спектру на дві або більше спектральні області за допомогою багатошарових плівкових світлодільників (дихрої ) з подальшим перетворенням кожної ділянки спектра окремим ФЕП тощо.
У системах перетворення енергії СЕС (сонячних електростанцій) у принципі можуть бути використані будь-які створені та розроблювані в даний час типи ФЕП різної структури на базі різноманітних напівпровідникових матеріалів, проте не всі вони задовольняють комплекс вимог до цих систем:
- висока надійність за тривалого (десятки років!) ресурсу роботи;
- доступність вихідних матеріалів у достатній для виготовлення елементів системи перетворення кількості та можливість організації їх масового виробництва;
- прийнятні з погляду термінів окупності енерговитрати створення системи перетворення;
- мінімальні витрати енергії та маси, пов'язані з управлінням системою перетворення та передачі енергії (космос), включаючи орієнтацію та стабілізацію станції в цілому;
- зручність технічного обслуговування.
Так, наприклад, деякі перспективні матеріали важко отримати у необхідних для створення СЕС кількостях через обмеженість природних запасів вихідної сировини та складність її переробки. Окремі методи покращення енергетичних та експлуатаційних характеристик ФЕП, наприклад, за рахунок створення складних структур, погано сумісні з можливостями організації їх масового виробництва за низької вартості тощо. Висока продуктивність можна досягти лише з організації повністю автоматизованого виробництва ФЭП, наприклад з урахуванням стрічкової технології, і створенні розвиненої мережі спеціалізованих підприємств відповідного профілю, тобто. практично цілої галузі промисловості, порівнянної за масштабами із сучасною радіоелектронною промисловістю. Виготовлення сонячних елементів та збирання сонячних батарей на автоматизованих лініях забезпечить зниження собівартості модуля батареї у 2-2,5 рази.
Як найбільш ймовірні матеріали для фотоелектричних систем перетворення сонячної енергії СЕС в даний час розглядається кремній і арсенід галію (GaAs), причому в останньому випадку йдеться про гетерофотоперетворювачі (ГФП) зі структурою AlGaAs-GaAs.
ФЕП (фотоелектричні перетворювачі) на основі з'єднання миш'яку з галієм (GaAs), як відомо, мають вищий, ніж кремнієві ФЕП, теоретичний ККД, тому що ширина забороненої зони у них практично збігається з оптимальною шириною забороненої зони для напівпровідникових перетворювачів сонячної енергії =1 ,4 еВ. У кремнієвих цей показник = 1,1 еВ.
Внаслідок більш високого рівня поглинання сонячного випромінювання, що визначається прямими оптичними переходами GaAs, високі ККД ФЕП на їх основі можуть бути отримані при значно меншій порівняно з кремнієм товщині ФЕП. Принципово достатньо мати товщину ГФП 5-6 мкм для отримання ККД порядку не менше 20%, тоді як товщина кремнієвих елементів не може бути меншою за 50-100мкм без помітного зниження їхнього ККД. Ця обставина дозволяє розраховувати на створення легких плівкових ГФП, для виробництва яких потрібно порівняно мало вихідного матеріалу, особливо якщо в якості підкладки вдасться використовувати не GaAs а інший матеріал, наприклад синтетичний сапфір (Al2 O3).
ГФП мають також більш сприятливі з погляду вимог до перетворювачів СЕС експлутаційними характеристиками порівняно з кремнієвими ФЕП. Так, зокрема, можливість досягнення малих початкових значень зворотних струмів насичення в p-n-переходах завдяки великій ширині забороненої зони дозволяє звести до мінімуму величину негативних температурних градієнтів ККД та оптимальної потужності ГФП та, крім того, суттєво розширювати область лінійної залежності останньої від щільності світлового потоку . Експериментальні залежності ККД ДФП від температури говорять про те, що підвищення рівноважної температури останніх до 150-180°С не призводить до суттєвого зниження їхнього ККД та оптимальної питомої потужності. У той же час для кремнієвих ФЕП підвищення температури вище 60-70 ° С є майже критичним - ККД падає вдвічі.
Завдяки стійкості до високих температур арсенід-галієві ФЕП дозволяють застосовувати до них концентратори сонячного випромінювання. Робоча температура ГФП на GaAs сягає 180 °З, що є цілком робочими температурами й у теплових двигунів, паротурбин. Таким чином, до 30-відсоткового власного ККД арсенід-галієвих ГФП (при 150°C) можна додати ККД теплового двигуна, що використовує скидове тепло охолоджуючої рідини фотоелементи. Тому загальний ККД установки, яка до того ж використовує і третій цикл відбору низькотемпературного тепла у рідини, що охолоджує, після турбіни на обігрів приміщень - може бути навіть вище 50-60 %.
Також ГФП на основі GaAs значно меншою мірою, ніж кремнієві ФЕП, схильні до руйнування потоками протонів і електронів високих енергій внаслідок високого рівня поглинання світла в GaAs, а також малих необхідних значень часу життя і дифузійної довжини неосновних носіїв. Більш того, експерименти показали, що значна частина радіаційних дефектів у ГФП на основі GaAs зникає після їх термообробки (відпалу) при температурі близько 150-180 °С. Якщо ДФП з GaAs постійно працюватимуть при температурі порядку 150°С, то ступінь радіаційної деградації їх ККД буде відносно невеликим протягом усього терміну активного функціонування станцій (особливо це стосується космічних сонячних енергоустановок, для яких важлива малі вага і розмір ФЕП і високий ККД) .
Загалом можна зробити висновок, що енергетичні, масові та експлуатаційні характеристики ГФП на основі GaAs більшою мірою відповідають вимогам СЕС та СКЕС (косм.), ніж характеристики кремнієвих ФЕП. Проте кремній є значно доступнішим і освоєним у виробництві матеріалом, ніж арсенід галію. Кремній широко поширений у природі, і запаси вихідної сировини до створення ФЭП з його основі практично необмежені. Технологія виготовлення кремнієвих ФЕП добре відпрацьована та безперервно вдосконалюється. Існує реальна перспектива зниження вартості кремнієвих ФЕП на один - два порядки при впровадженні нових автоматизованих методів виробництва, що дозволяють зокрема отримувати кремнієві стрічки, сонячні елементи великої площі тощо.
Ціни на кремнієві фотоелектричні батареї знизилися за 25 років у 20-30 разів з 70-100 дол/ват у сімдесятих роках аж до 3,5 дол/ват у 2000 р. і продовжують знижуватися далі. На Заході очікується переворот в енергетиці на момент переходу ціни 3-доларового рубежу. За деякими розрахунками, це може статися вже в 2002 р., а для Росії з нинішніми енерготарифами цей момент настане при ціні 1 Вт СБ 0,3-0,5 долара, тобто, при на порядок нижчій ціні. Тут грають участь разом узяті: тарифи, клімат, географічні широти, здібності держави до реального ціноутворення та довгострокових інвестицій. У реально діючих структурах з гетеропереходами ККД досягає на сьогоднішній день більше 30%, а в однорідних напівпровідниках типу монокристалічного кремнію – до 18%. Середнє значення ККД у сонячних батареях на монокристалічному кремнії сьогодні близько 12%, хоча сягає 18%. Саме переважно кремнієві СБ можна бачити сьогодні на дахах будинків різних країн світу.
На відміну від кремнію галій є дуже дефіцитним матеріалом, що обмежує можливості виробництва ГФП на основі GaAs у кількостях, необхідних широкого впровадження.
Галій видобувається переважно з бокситів, проте розглядається також можливість його отримання з вугільної золи та морської води. Найбільші запаси галію містяться у морській воді, проте його концентрація там дуже невелика, вихід при витягу оцінюється величиною всього в 1% і, отже, витрати на виробництво будуть, ймовірно, надмірно більшими. Технологія виробництва ГФП на основі GaAs з використанням методів рідинної та газової епітаксії (орієнтованого зростання одного монокристала на поверхні іншого (на підкладці)), не розвинена ще такою мірою, як технологія виробництва кремнієвих ФЕП і в результаті цього вартість ДФП зараз істотно вища (на порядки) вартості ФЕП із кремнію.
У космічних апаратах, де основним джерелом струму є сонячні батареї і дуже важливі зрозумілі співвідношення маси, розміру і ККД, головним матеріалом для сон. батарей, звичайно, є арсенід галію. Дуже важлива для космічних СЕС здатність цієї сполуки у ФЕП не втрачати ККД при нагріванні концентрованим у 3-5 разів сонячним випромінюванням, що знижує потреби в дефіцитному галії. Додатковий резерв економії галію пов'язаний з використанням як підкладки ГФП не GaAs, а синтетичного сапфіру (Al2O3).
Вартість ГФП при їх масовому виробництві на базі вдосконаленої технології буде, ймовірно, також значно знижена, і в цілому вартість системи перетворення системи перетворення енергії СЕС на основі ДФП з GaAs може виявитися цілком порівнянною з вартістю системи на основі кремнію. Таким чином, в даний час важко до кінця віддати явну перевагу одному з двох розглянутих напівпровідникових матеріалів - кремнію або арсеніду галію, і лише подальший розвиток технології їх виробництва покаже, який варіант виявиться раціональнішим для наземної і космічної сонячних енергетик. Оскільки СБ видають постійний струм, то постає завдання трансформації його в промисловий змінний 50 Гц,220 В. З цим завданням чудово справляється спеціальний клас приладів-інвертори.
Розрахунок фотоелектричної системи.
Використовувати енергію сонячних елементів можна так само, як і енергію інших джерел живлення, з тією різницею, що сонячні елементи не бояться короткого замикання. Кожен із них призначений підтримки певної сили струму при заданому напрузі. Але на відміну від інших джерел струму, характеристики сонячного елемента залежать від кількості падаючого на його поверхню світла. Наприклад, хмара, що набігла, може знизити вихідну потужність більш ніж на 50%. Крім того, відхилення в технологічних режимах спричиняють розкид вихідних параметрів елементів однієї партії. Отже, бажання забезпечити максимальну віддачу від фотоелектричних перетворювачів призводить до необхідності сортування елементів вихідного струму. Як наочний приклад "вшивої вівці псує все стадо" можна навести наступний: у розрив водопровідної труби великого діаметра врізати ділянку труби з набагато меншим діаметром, в результаті водотік різко скоротиться. Щось аналогічне відбувається і в ланцюжку з неоднорідних за вихідними параметрами сонячних елементів.
Кремнієві сонячні елементи є нелінійними пристроями та його поведінка не можна описати простою формулою типу закону Ома. Замість неї пояснення характеристик елемента можна користуватися сімейством простих розуміння кривих - вольтамперних характеристик (ВАХ)
Напруга холостого ходу, що генерується одним елементом, злегка змінюється при переході від одного елемента до іншого в одній партії і однієї фірми виробника до іншої і становить близько 0.6 В. Ця величина не залежить від розмірів елемента. Інакше справа зі струмом. Він залежить від інтенсивності світла та розміру елемента, під яким мається на увазі площа його поверхні.
Елемент розміром 100-100 мм у 100 разів перевершує елемент розміром 10-10 мм і, отже, він при тій же освітленості видасть струм у 100 разів більший.
Навантажуючи елемент, можна побудувати графік залежності вихідної потужності від напруги, отримавши щось подібне на рис.
Пікова потужність відповідає напрузі близько 0,47 В. Таким чином, щоб правильно оцінити якість сонячного елемента, а також задля порівняння елементів між собою в однакових умовах, необхідно навантажити його так, щоб вихідна напруга дорівнювала 0,47 В. Після того, як сонячні елементи підібрані до роботи, необхідно їх спаяти. Серійні елементи мають струмознімальні сітки, які призначені для припаювання до них провідників.
Батареї можна складати у будь-якій бажаній комбінації. Найпростішою батареєю є ланцюжок із послідовно включених елементів. Можна також з'єднати паралельно ланцюжки, отримавши так звану послідовно-паралельну сполуку.
Важливим моментом роботи сонячних елементів є температурний режим. При нагріванні елемента однією градус понад 25°З він втрачає у напрузі 0,002, тобто. 0,4%/градус. На рис.3 наведено сімейство кривих ВАХ для температур 25°З 60°С.
У яскравий сонячний день елементи нагріваються до 60-70оС втрачаючи 0,07-0,09 кожен. Це і є основною причиною зниження ККД сонячних елементів, що призводить до падіння напруги, що генерується елементом. ККД звичайного сонячного елемента нині коливається не більше 10-16 %. Це означає, що елемент розміром 100-100 мм при стандартних умовах може генерувати 1-1,6 Вт.
Усі фотоелектричні системи можна розділити на два типи: автономні та з'єднані з електричною мережею. Станції другого типу віддають надлишки енергії у мережу, яка є резервом у разі виникнення внутрішнього дефіциту енергії.
Автономна система в загальному випадку складається з набору сонячних модулів, розміщених на опорній конструкції або на даху, акумуляторної батареї (АКБ), контролера розряду - заряду акумулятора, кабелів з'єднувальних. Сонячні модулі є основним компонентом для побудови фотоелектричних систем. Вони можуть бути виготовлені з будь-якою вихідною напругою.
Після того, як сонячні елементи підібрані – їх необхідно спаяти. Серійні елементи мають струмознімальні сітки для припаювання до них провідників. Батареї можна складати у будь-якій комбінації.
Найпростішою батареєю є ланцюжок із послідовно з'єднаних елементів.
Можна з'єднати ці ланцюжки паралельно, отримавши так звану послідовно-паралельну сполуку. Паралельно можна з'єднувати лише ланцюжки (лінійки) з ідентичною напругою, при цьому їх струми згідно із законом Кірхгофа підсумовуються.
При наземному використанні вони зазвичай використовуються для заряджання акумуляторних батарей (АКБ) з номінальною напругою 12 В. У цьому випадку зазвичай 36 сонячних елементів з'єднуються послідовно і герметизуються за допомогою ламінації на склі, текстоліті, алюмінію. Елементи при цьому знаходяться між двома шарами плівки, що герметизує, без повітряного зазору. Технологія вакуумної ламінації дозволяє виконати цю вимогу. У разі повітряного прошарку між захисним склом та елементом втрати на відбиття та поглинання досягли б 20-30 % порівняно з 12 % - без повітряного прошарку.
Електричні параметри сонячного елемента представляються як і окремого сонячного елемента у вигляді вольтамперної кривої за стандартних умов (Standart Test Conditions), тобто при сонячній радіації 1000 Вт/м2, температурі - 25оС та сонячному спектрі на широті 45о(АМ1,5) .
Точка перетину кривої з віссю напруг називається напругою холостого ходу - Uxx, точка перетину з віссю струмів - струмом короткого замикання Iкз.
Максимальна потужність модуля визначається як найбільша потужність за STC (Standart Test Conditions). Напруга, що відповідає максимальній потужності, називається напругою максимальної потужності (робочою напругою - Up), а відповідний струм - струмом максимальної потужності (робочим струмом - Ip).
Значення робочої напруги для модуля, що складається з 36 елементів, таким чином, буде близько 16…17 (0,45….0,47 на елемент) при 25о З.
Такий запас по напрузі в порівнянні з напругою повного заряду АКБ (14,4 В) необхідний для того, щоб компенсувати втрати в контролері заряду-розряду АКБ (про нього йтиметься пізніше), а в основному - зниження робочої напруги модуля при нагріванні модуля випромінюванням : температурний коефіцієнт кремнію становить близько мінус 0,4 %/градус (0,002 В/градус для одного елемента).
Слід зазначити, що напруга холостого ходу модуля мало залежить від освітленості, тоді як струм короткого замикання, а відповідно і робочий струм прямо пропорційні освітленості.
Таким чином, при нагріванні в реальних умовах роботи, модулі розігріваються до температури 60-70оС, що відповідає зсуву точки робочої напруги, наприклад, для модуля з робочою напругою 17 - зі значення 17 до 13,7-14,4 В ( 0,38-0,4 на елемент).
Виходячи з усього вище сказаного треба підходити до розрахунку числа послідовно з'єднаних елементів модуля. Якщо споживачеві необхідно мати змінну напругу, то до цього комплекту додається інвертор-перетворювач постійної напруги змінну.
Під розрахунком ФЕС розуміється визначення номінальної потужності модулів, їхньої кількості, схеми з'єднання; вибір типу, умов експлуатації та ємності АКБ; потужностей інвертора та контролера заряду-розряду; визначення параметрів з'єднувальних кабелів.
Насамперед, треба визначити сумарну потужність всіх споживачів, що підключаються одночасно. Потужність кожного з них вимірюється у ватах та вказана у паспортах виробів. На цьому етапі вже можна вибрати потужність інвертора, яка повинна бути не меншою, ніж у 1,25 рази більшою за розрахункову. Слід мати на увазі, що такий хитрий прилад як компресорний холодильник у момент запуску споживає потужність у 7 разів більшу за паспортну.
Номінальний ряд інверторів 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для потужних станцій (понад 1кВт) напруга станції вибирається щонайменше 48 У, т.к. на великих потужностях інвертори краще працюють з вищих вихідних напруг.
Наступний етап – це визначення ємності АКБ. Місткість АКБ вибирається із стандартного ряду ємностей із округленням у бік, більший за розрахунковий. А розрахункова ємність виходить простим розподілом сумарної потужності споживачів на добуток напруги АКБ значення глибини розряду акумулятора в частках.
Наприклад, якщо сумарна потужність споживачів 1000 Вт год на добу, а допустима глибина розряду АКБ 12 В – 50 %, то розрахункова ємність становитиме:
1000 / (12 x 0,5) = 167 А * год
При розрахунку ємності АКБ в автономному режимі необхідно брати до уваги і наявність у природі похмурих днів протягом яких акумулятор повинен забезпечувати роботу споживачів.
Останній етап - це визначення сумарної потужності та кількості сонячних модулів. Для розрахунку знадобиться значення сонячної радіації, яке береться під час роботи станції, коли сонячна радіація мінімальна. У разі цілорічного використання – це грудень.
У розділі "метеорологія" дано місячні та сумарні річні значення сонячної радіації для основних регіонів Росії, а також з градацією за різними орієнтаціями світлосприймаючої площини.
Взявши звідти значення сонячної радіації за цікавий для нас період і розділивши його на 1000, отримаємо так звану кількість пікогодин, тобто умовний час, протягом якого сонце світить як би з інтенсивністю 1000 Вт/м2.
Наприклад, для широти Москви та місяця-липня значення сонячної радіації становить 167 кВтг/м2 при орієнтації майданчика на південь під кутом 40° до горизонту. Це означає, що середньостатистично сонце світить у липні 167 годин (5,5 годин на день) з інтенсивністю 1000 Вт/м2, хоча максимальна освітленість опівдні на майданчику, орієнтованому перпендикулярно до світлового потоку, не перевищує 700-750 Вт/м2.
Модуль потужністю Рw протягом обраного періоду виробить таку кількість енергії: W = k Pw E / 1000, де Е - значення інсоляції за обраний період, k-коефіцієнт рівний 0,5 влітку і 0,7 в зимовий період.
Цей коефіцієнт робить поправку на втрату потужності сонячних елементів при нагріванні на сонці, а також враховує похило падіння променів на поверхню модулів протягом дня.
Різниця у його значенні взимку та влітку обумовлена меншим нагріванням елементів у зимовий період.
Виходячи з сумарної потужності споживаної енергії та наведеної вище формули - легко розрахувати сумарну потужність модулів. А знаючи її, простим розподілом її на потужність одного модуля, отримаємо кількість модулів.
Під час створення ФЕС настійно рекомендується максимально знизити потужність споживачів. Наприклад, як освітлювачі використовувати (по можливості) тільки люмінесцентні лампи. Такі світильники, при споживанні в 5 разів менше, забезпечують світловий потік, еквівалентний світловому потоку лампи розжарювання.
Для невеликих ФЕС доцільно встановлювати її модулі на поворотному кронштейні для оптимального розвороту щодо падаючих променів. Це дозволить збільшити потужність станції на 20-30%.
Трохи про інвертори.
Інвертори або перетворювачі постійного струму змінний струм, призначені для забезпечення якісного електроживлення різної апаратури та приладів в умовах відсутності або низької якості електромережі змінного струму частотою 50 Гц напругою 220 В, різних аварійних ситуаціях тощо.
Інвертор являє собою імпульсний перетворювач постійного струму напругою 12 (24, 48, 60) змінний струм зі стабілізованою напругою 220 В частотою 50 Гц. Більшість інверторів має на виході СТАБІЛІЗОВАНУ напругу синусоїдальної форми, що дозволяє використовувати їх для електроживлення практично будь-якого обладнання та приладів.
Конструктивно виконаний інвертор у вигляді настільного блоку. На передній панелі інвертора розташовані вимикач роботи виробу та індикатор роботи перетворювача. На задній панелі виробу знаходяться висновки (клеми) для підключення джерела постійного струму, наприклад, АКБ, виведення заземлення корпусу інвертора, отвір з кріпленням вентилятора (охолодження), триполюсна розетка євро для підключення навантаження.
Стабілізована напруга на виході інвертора дозволяє забезпечити якісне електроживлення навантаження при змінах/коливаннях напруги на вході, наприклад, при розряді АКБ, або коливання струму, споживаного навантаженням. Гарантована гальванічна розв'язка джерела постійного струму на вході та ланцюга змінного струму з навантаженням на виході інвертора дозволяють не вживати додаткових заходів для забезпечення безпеки роботи при використанні різних джерел постійного струму або електрообладнання. Примусове охолодження силової частини та низький рівень шуму під час роботи інвертора дозволяють, з одного боку, забезпечити хороші масогабаритні показники виробу, з іншого боку, при даному типі охолодження не створюють незручностей під час експлуатації у вигляді шуму.
- Вбудована панель керування з електронним табло
- Потенціометр ємності, який дозволяє уможливлювати точні регулювання
- Нормалізована планка із підключенням за висновками: WE WY STEROW
- Вбудований оборот гальмування
- Радіатор із вентилятором
- Естетичне кріплення
- Харчування 230 V - 400 V
- Навантаження 150% - 60s
- Час розбігу 0,01...1000 секунд
- Вбудований електричний фільтр класу А
- Робоча температура: від -5°C до +45°C
- Порт RS 485
- Регулювання кроку частоти: 0,01 Hz – 1 кHz
- Клас захисту IP 20
Функціонально забезпечує: підвищення, зниження частоти, контроль навантаження, перегріву.
Більшість відновлюваних видів енергії – гідроенергія, механічна та теплова енергія світового океану, вітрова та геотермальна енергія – характеризуються або обмеженим потенціалом, або значними труднощами широкого використання. Сумарний потенціал більшості відновлюваних джерел енергії дозволить збільшити споживання енергії з нинішнього рівня лише на порядок. Але є ще одне джерело енергії – Сонце. Сонце, зірка спектрального класу 2, жовтий карлик, дуже середня зірка за всіма своїми основними параметрами: масою, радіусом, температурою та абсолютною величиною. Але ця зірка має одну унікальну особливість – це наша зірка, і людство зобов'язане всім своїм існуванням цій середній зірці. Наше світило постачає Землі потужність близько 10 17 Вт – така сила «сонячного зайчика» діаметром 12,7 тис. км, який постійно висвітлює звернений до Сонця бік нашої планети. Інтенсивність сонячного світла лише на рівні моря у південних широтах, коли Сонце у зеніті, становить 1 кВт/м 2 . При розробці високоефективних методів перетворення сонячної енергії Сонце може забезпечити потреби енергії, що бурхливо зростають, протягом багатьох сотень років.
Доводи противників великомасштабного використання сонячної енергії зводяться в основному до таких аргументів:
1. Питома потужність сонячної радіації мала, і великомасштабне перетворення сонячної енергії вимагатиме дуже великих площ.
2. Перетворення сонячної енергії дуже дорого і вимагає практично нереальних матеріальних та трудових витрат.
Справді, наскільки великою буде площа Землі, покрита перетворювальними системами, для виробництва помітної у світовому енергетичному бюджеті частки електроенергії? Очевидно, що ця площа залежить від ефективності перетворювальних систем, що використовуються. Для оцінки ефективності фотоелектричних перетворювачів, що здійснюють пряме перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою напівпровідникових фотоелементів, введемо поняття коефіцієнта корисної дії (ККД) фотоелемента, що визначається як відношення потужності електроенергії, що виробляється даним елементом, до потужності сонячного зайчика, що падає на поверхню фотоелемента. Так, при ККД сонячних перетворювачів, що дорівнює 10% (типові значення ККД для кремнієвих фотоелементів, широко освоєних у серійному промисловому виробництві для потреб наземної енергетики), для виробництва 10 12 Вт електроенергії потрібно було б покрити фотоперетворювачами площу 4 * 10 . із стороною 200 км. При цьому інтенсивність сонячної радіації прийнята рівною 250 Вт/м 2 що відповідає типовому середньому значенню протягом року для південних широт. Тобто «низька щільність» сонячної радіації перешкоджає розвитку великомасштабної сонячної енергетики.
Наведені вище міркування є досить вагомим аргументом: проблему перетворення сонячної енергії необхідно вирішувати сьогодні, щоб використати цю енергію завтра. Можна хоча б жартома розглядати цю проблему в рамках вирішення енергетичних завдань щодо керованого термоядерного синтезу, коли ефективний реактор (Сонце) створений самою природою та забезпечує ресурс надійної та безпечної роботи на багато мільйонів років, а наше завдання полягає лише у розробці наземної перетворювальної підстанції. Останнім часом у світі проведено широкі дослідження в галузі сонячної енергетики, які показали, що вже найближчим часом цей метод одержання енергії може стати економічно виправданим та знайти широке застосування.
Росія багата на природні ресурси. Ми маємо значні запаси викопного палива – вугілля, нафти, газу. Однак використання сонячної енергії має і для нашої країни велике значення. Незважаючи на те, що значна частина території Росії лежить у високих широтах, деякі великі південні райони нашої країни за своїм кліматом дуже сприятливі для широкого використання сонячної енергії.
Ще більші перспективи має використання сонячної енергії у країнах екваторіального поясу Землі та близьких до цього поясу районах, що характеризуються високим рівнем надходження сонячної енергії. Так, у ряді районів Центральної Азії тривалість прямого сонячного опромінення досягає 3000 годин на рік, а річний прихід сонячної енергії на горизонтальну поверхню становить 1500 - 1850 кВт/год.
Головними напрямками робіт у галузі перетворення сонячної енергії в даний час є:
- Прямий тепловий нагрівання (отримання теплової енергії) і термодинамічний перетворення (отримання електричної енергії з проміжним перетворенням сонячної енергії в теплову);
- Фотоелектричне перетворення сонячної енергії.
Пряме теплове нагрівання є найпростішим методом перетворення сонячної енергії і широко використовується в південних районах Росії та в країнах екваторіального поясу в установках сонячного опалення, постачання гарячої води, охолодження будівель, опріснення води тощо. Основою сонячних установок, що використовують тепло, є плоскі сонячні колектори — поглиначі сонячного випромінювання. Вода або інша рідина, перебуваючи в контакті з поглиначем, нагрівається та за допомогою насоса або природної циркуляції відводиться від нього. Потім нагріта рідина надходить у сховище, звідки її споживають за необхідності. Подібний пристрій нагадує системи побутового гарячого водопостачання.
Електроенергія є найбільш зручним для використання та передачі видом енергії. Тому зрозумілий інтерес дослідників до розробки та створення сонячних електростанцій, які використовують проміжне перетворення сонячної енергії на тепло з подальшим його перетворенням на електроенергію.
У світі зараз найбільш поширені сонячні теплові електростанції двох типів: 1) баштового типу з концентрацією сонячної енергії на одному геліоприймачі, що здійснюється за допомогою великої кількості плоских дзеркал; 2) розосереджені системи з параболоїдів та параболоциліндрів, у фокусі яких розміщені теплові приймачі та перетворювачі малої потужності.
2. РОЗВИТОК СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ
Наприкінці 70-х – початку 80-х років у різних країнах світу було збудовано сім пілотних сонячних електростанцій (СЕС) так званого баштового типу з рівнем потужності від 0,5 до 10 МВт. Найбільша СЕС потужністю 10 МВт (Solar Оnе) була побудована в Каліфорні. Всі ці СЕС побудовані за одним принципом: поле, розміщене на рівні землі дзеркал-геліостатів, які стежать за сонцем, відображає сонячні промені на приймач-ресивер, встановлений на верху досить високої вежі. Ресивер є, по суті кажучи, сонячний котел, в якому виробляється водяна пара середніх параметрів, яка направляється потім у стандартну парову турбіну.
Другий проект – баштова СЕС PHOEBUS реалізується німецьким консорціумом. Проект передбачає створення демонстраційної гібридної (сонячно-паливної) СЕС потужністю 30 МВт з об'ємним ресивером, в якому підігріватиметься атмосферне повітря, яке прямує потім у паровий котел, де виробляється водяна пара, яка працює в циклі Ренкіна. На тракті повітря від ресивера до казана передбачається пальник для спалювання природного газу, кількість якого регулюється так, щоб протягом усього світлового дня підтримувати задану потужність. Розрахунки показують, що, наприклад, для річного отримання сонячного випромінювання 6,5 ГДж/м 2 (подібне до того, яке характерне для південних районів України) ця СЕС, яка має сумарну поверхню геліостатів 160 тис. м 2 , отримуватиме 290,2 ГВт *год/год сонячної енергії, а кількість енергії, внесеної з паливом, складе 176,0 ГВт*год/рік. При цьому СЕС виробить на рік 87.9 ГВт*год електроенергії із середньорічним ККД 18,8 %. За таких показників вартість електроенергії, виробленої на СЕС, очікується лише на рівні ТЕС на органічному паливі.
Починаючи з середини 80-х років, у Південній Каліфорнії компанією LUZ було створено та пущено в комерційну експлуатацію дев'ять СЕС з параболоциліндричними концентраторами (ПЦК) з одиничними потужностями, які нарощувалися від першої СЕС до наступних від 13,8 до 80 МВт. Сумарна потужність цих СЕС сягнула 350 МВт. У цих СЕС використані ПЦК з апертурою, яка збільшувалася під час переходу від першої СЕС до наступних. Спостерігаючи сонцем на єдиній осі, концентратори фокусують сонячну радіацію на трубчастих приймачах, укладених у вакуумовані труби. Усередині приймача протікає високотемпературний рідкий теплоносій, який нагрівається до 380°З потім віддає тепло водяної пари в парогенератор. У схемі цих СЕС передбачено також спалювання в парогенераторі деякої кількості газу для виробництва додаткової пікової електроенергії, а також для компенсації зменшеної інсоляції.
Зазначені СЕС були створені та експлуатувалися в той час, коли в США існували закони, які дозволяли СЕС функціонувати беззбитково. Закінчення терміну дії цих законів наприкінці 80-х років призвело до того, що компанія LUZ збанкрутувала, а будівництво нових СЕС цього типу було припинено.
Компанія KJC (Kramеr Junction Company), яка експлуатувала п'ять із дев'яти побудованих СЕС (з 3 по 7), поставила собі завдання підвищити ефективність цих СЕС, скоротити витрати на їх експлуатацію і зробити їх економічно привабливими в нових умовах. На даний час ця програма успішно реалізується.
Одним із лідерів з використання енергії Сонця стала Швейцарія. За даними на 1997 р. тут збудовано приблизно 2600 геліоустановок на основі фотоелектричних перетворювачів потужністю від 1 до 1000 кВт. Програма, що отримала назву «Solar-91» і здійснювана під гаслом «За енергонезалежну Щвейцарію», робить помітний внесок у вирішення екологічних проблем та енергетичну незалежність країни, яка сьогодні імпортує понад 70% енергії. Геліоустановку потужністю 2-3 кВт найчастіше монтують на дахах та фасадах будівель. Така установка виробляє на рік у середньому 2000 кВтг електроенергії, що достатньо для побутових потреб середнього швейцарського будинку. Великі компанії монтують на дахах виробничих корпусів сонячні установки потужністю до 300 кВт. Така станція покриває потреби підприємства у електроенергії на 50-60%.
В умовах альпійського високогір'я, де нерентабельно прокладати лінії електропередач, також будуються геліоустановки великої потужності. Досвід експлуатації показує, що Сонце вже може забезпечити потреби всіх житлових будинків країни. Геліоустановки, розташовуючись на дахах та стінах будинків, на шумозахисних огорожах автошляхів, на транспортних та промислових спорудах, не вимагають для власного розміщення дорогої сільськогосподарської території. Автономна сонячна установка біля селища Грімзель пропонує електроенергію для цілодобового освітлення автодорожнього тунелю. Поблизу міста Шур сонячні панелі, що змонтовані на 700-метровій ділянці шумозахисної огорожі, щорічно дають 100 кВт електроенергії.
Сучасна концепція використання сонячної енергії найбільш повно виражена при будівництві корпусів віконного скла в Арісдорфі, де сонячним панелям загальною потужністю 50 кВт ще при проектуванні була відведена додаткова роль елементів перекриття та оформлення фасаду. ККД сонячних перетворювачів при сильному нагріванні помітно знижується, тому під панелями прокладено вентиляційні трубопроводи для прокачування зовнішнього повітря. Темно-сині фотоперетворювачі, що іскряться на сонці, на південному і західному фасадах адміністративного корпусу, віддаючи в мережу електроенергію, виконують роль декоративного облицювання.
У країнах, що розвиваються, застосовують порівняно дрібні установки для електропостачання індивідуальних будинків, у віддалених селах для оснащення культурних центрів, де завдяки ФЕУ можна користуватися телевізорами та ін. При цьому на перший план виступає не вартість електроенергії, а соціальний ефект. Програми впровадження ФЕУ у цих країнах активно підтримуються міжнародними організаціями, у їхньому фінансуванні бере участь Світовий банк на основі висунутої ним «Сонячної Ініціативи». Так, наприклад, у Кенії протягом останніх 5 років за допомогою ФЕУ було електрифіковано 20 000 сільських будинків. Велика програма з впровадження ФЕУ реалізується в Індії, де у 1986 – 1992 роках. на встановлення ФЕУ у сільській місцевості було витрачено 690 млн. рупій.
У промислово розвинених країнах активне використання ФЕУ пояснюється кількома чинниками. По-перше, ФЕУ розглядаються як екологічно чисті джерела, здатні зменшити шкідливий вплив на довкілля. По-друге, застосування ФЕУ у приватних будинках підвищує енергетичну автономію та захищає власника при можливих перебоях у централізованому електропостачанні.
3. ФОТОЕЛЕКТРИЧНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ
Важливий внесок у розуміння механізму дії фотоефекту в напівпровідниках зробив засновник Фізико-технічного інституту (ФТІ) Російської Академії наук академік А.Ф. Іоффе. Він мріяв про застосування напівпровідникових фотоелементів у сонячній енергетиці вже у тридцяті роки, коли Б.Т. Коломієць та Ю.П. Маслаковець створили у ФТІ сірчано-талієві фотоелементи з рекордним на той час ККД = 1%.
Широке практичне використання для енергетичних цілей сонячних батарей розпочалося із запуском 1958 року штучних супутників Землі — радянського «Супутник»-3 та американського «Авангард»-1. З цього часу ось уже понад 35 років напівпровідникові сонячні батареї є основним та майже єдиним джерелом енергопостачання космічних апаратів та великих орбітальних станцій типу «Салют» та «Мир». Великий заділ, напрацьований вченими в галузі сонячних батарей космічного призначення, дозволив також розгорнути роботи з наземної фотоелектричної енергетики.
Основу фотоелементів складає напівпровідникова структура з p-n переходом, що виникає на межі двох напівпровідників з різними механізмами провідності. Зауважимо, що ця термінологія бере початок від англійських слів positive (позитивний) та negative (негативний). Отримують різні типи провідності шляхом зміни типу введених до напівпровідника домішок. Так, наприклад, атоми ІІІ групи Періодичної системи Д.І. Менделєєва, введені в кристалічні ґрати кремнію, надають останньому діркову (позитивну) провідність, а домішки V групи – електронну (негативну). Контактp або n-напівпровідників призводить до утворення між ними контактного електричного поля, що грає надзвичайно важливу роль у роботі сонячного фотоелемента. Пояснимо причину виникнення контактної різниці потенціалів. При з'єднанні в одному монокристалі напівпровідників p- і n-типу виникає дифузійний потік електронів з напівпровідника n-типу напівпровідник p-типу і, навпаки, потік дірок з p- в n-напівпровідник. В результаті такого процесу прилегла кp-n переходу частина напівпровідника p-типу буде заряджатися негативно, а прилегла до p-n переходу частина напівпровідника n-типу, навпаки, набуде позитивного заряду. Таким чином, поблизу p-n переходу утворюється подвійний заряджений шар, який протидіє процесу дифузії електронів та дірок. Справді, дифузія прагне створити потік електронів з n-області до p-області, а поле зарядженого шару, навпаки, – повернути електрони в n-область. Аналогічним чином поле p-n переході протидіє дифузії дірок з p- в n-область. В результаті двох процесів, що діють у протилежні сторони (дифузії та рухи носіїв струму в електричному полі), встановлюється стаціонарний, рівноважний стан: на кордоні виникає заряджений шар, що перешкоджає проникненню електронів з n-напівпровідника, а дірок з p-напівпровідника. Іншими словами, в області p-n переходу виникає енергетичний (потенційний) бар'єр, для подолання якого електрони з n-напівпровідника та дірки з p-напівпровідника повинні витратити певну енергію. Не зупиняючись на описі електричних характеристик pn переходу, який широко використовується у випрямлячах, транзисторах та інших напівпровідникових приладах, розглянемо роботу pn переходу у фотоелементах.
При поглинанні світла у напівпровіднику збуджуються електронно-діркові пари. В однорідному напівпровіднику фотозбудження збільшує тільки енергію електронів і дірок, не поділяючи їх у просторі, тобто електрони та дірки поділяються у «просторі енергій», але залишаються поряд у геометричному просторі. Для поділу носіїв струму та появи фотоелектрорушійної сили (фотоЕРС) має існувати додаткова сила. Найбільш ефективний поділ нерівноважних носіїв має місце саме в області p-n переходу. Генеровані поблизу p-n переходу «неосновні» носії (дірки в n-напівпровіднику та електрони в p-напівпровіднику) дифундують кp-n переходу, підхоплюються полем p-n переходу і викидаються в напівпровідник, в якому вони стають основними носіями: електрони будуть локалізувати у напівпровіднику n-типу, а дірки – у напівпровіднику p-типу. В результаті напівпровідник p-типу отримує надлишковий позитивний заряд, а напівпровідник n-типу негативний. Між n- та p-областями фотоелемента виникає різниця потенціалів – фотоЕРС. Полярність фотоЕРС відповідає «прямому» зміщенню p-n переходу, яке знижує висоту бар'єру та сприяє інжекції дірок з pобласті в n-область та електронів з n-області в p-область. В результаті дії цих двох протилежних механізмів – накопичення носіїв струму під дією світла та їх відтоку через зниження висоти потенційного бар'єру – за різної інтенсивності світла встановлюється різна величина фотоЕРС. При цьому величина фотоЕРС у широкому діапазоні освітленості зростає пропорційно логарифму інтенсивності світла. При дуже великій інтенсивності світла, коли потенційний бар'єр виявляється практично нульовим, величина фотоЕРС виходить на насичення і стає рівною висоті бар'єру на неосвітленому p-n переході. При засвіченні ж прямим, і навіть сконцентрованим до 100 — 1000 крат сонячним випромінюванням, величина фотоЕРС становить 50 — 85% від величини контактної різниці потенціалу p-n переходу.
Таким чином, розглянуто процес виникнення фотоЕРС, що виникає на контактах кp- та n-областей p-n переходу. При короткому замиканні освітленого p-n переходу в електричному ланцюзі потече струм, пропорційний за величиною інтенсивності освітлення та кількості генерованих світлом електронно-діркових пар. При включенні в електричний ланцюг корисного навантаження, наприклад калькулятора, що живиться сонячною батареєю, величина струму в ланцюгу дещо зменшиться. Зазвичай електричний опір корисного навантаження в ланцюгу сонячного елемента вибирають таким, щоб отримати максимальну електричну потужність, що віддається цьому навантаженню.
Сонячний фотоелемент виготовляється на основі пластини, виконаної з напівпровідникового матеріалу, наприклад, кремнію. У пластині створюються області з p-і n-типами провідності. Як методи створення цих областей використовується, наприклад, метод дифузії домішок або метод нарощування одного напівпровідника на інший. Потім виготовляються нижній і верхній електроконтакти, причому нижній контакт - суцільний, а верхній виконується у вигляді гребінчастої структури (тонкі смуги, з'єднані відносно широкою шиною токосборной).
Основним матеріалом отримання сонячних елементів є кремній. Технологія отримання напівпровідникового кремнію та фотоелементів на його основі базується на методах, розроблених у мікроелектроніці – найбільш розвиненій промисловій технології. Кремній, мабуть, взагалі один із найбільш вивчених матеріалів у природі, до того ж другий за поширеністю після кисню. Якщо зважити на те, що перші сонячні елементи були виготовлені з кремнію близько сорока років тому, то природно, що цей матеріал грає першу скрипку в програмах фотоелектричної сонячної енергетики. Фотоелементи з монокристалічного кремнію поєднують переваги використання відносно дешевого напівпровідникового матеріалу з високими параметрами приладів, що отримуються на його основі.
Донедавна сонячні батареї наземного застосування, як і космічного, виготовляли з урахуванням відносно дорогого монокристалічного кремнію. Зниження вартості вихідного кремнію, розробка високопродуктивних методів виготовлення пластин із злитків та прогресивних технологій виготовлення сонячних елементів дозволили у кілька разів знизити вартість наземних сонячних батарей на їх основі. Основними напрямками робіт щодо подальшого зниження вартості «сонячної» електроенергії є: одержання елементів на основі дешевого, у тому числі стрічкового, полікристалічного кремнію; розробка дешевих тонкоплівкових елементів на основі аморфного кремнію та інших напівпровідникових матеріалів; здійснення перетворення концентрованого сонячного випромінювання за допомогою високоефективних елементів на основі кремнію та щодо нового напівпровідникового матеріалу алюміній-галій-миш'як.
Лінза Френеля є виконаною з оргскла пластиною товщиною 1-3 мм, одна сторона якої є плоскою, а на інший утворений профіль у вигляді концентричних кілець, що повторює профіль опуклої лінзи. Лінзи Френеля значно дешевше традиційних опуклих лінз і забезпечують у своїй рівень концентрування в 2 – 3 тисячі «сонців».
В останні роки у світі досягнуто значного прогресу в галузі розробки кремнієвих сонячних елементів, що працюють при концентрованому сонячному опроміненні. Створено кремнієві елементи з ККД > 25% за умов опромінення лежить на поверхні Землі за ступеня концентрування 20 — 50 «сонців». Значно більші ступені концентрування допускають фотоелементи на основі напівпровідникового матеріалу алюміній-галій-миш'як, вперше створені у Фізико-технічному інституті ім. А.Ф. Йоффе в 1969 році. У таких сонячних елементах досягаються значення ККД > 25% за ступенем концентрування до 1000 крат. Незважаючи на велику вартість таких елементів, їх внесок у вартість електроенергії, що отримується, не виявляється визначальним при високих ступенях концентрування сонячного випромінювання внаслідок істотного (до 1000 разів) зниження їх площі. Ситуація, за якої вартість фотоелементів не дає суттєвого внеску у загальну вартість сонячної енергоустановки, робить виправданим ускладнення та подорожчання фотоелемента, якщо це забезпечує збільшення ККД. Цим пояснюється увага, що приділяється нині розробкам каскадних сонячних елементів, які дозволяють досягти суттєвого збільшення ККД. У каскадному сонячному елементі сонячний спектр розщеплюється на дві (або більше) частини, наприклад видиму та інфрачервону, кожна з яких перетворюється за допомогою фотоелементів, виконаних на основі різних матеріалів. І тут знижуються втрати енергії квантів сонячного випромінювання. Наприклад, у двоелементних каскадах теоретичне значення ККД перевищує 40%.
Сонячна енергетика- Напрямок нетрадиційної енергетики, заснований на безпосередньому використанні сонячного випромінювання для отримання енергії в будь-якому вигляді. Сонячна енергетика використовує невичерпне джерело енергії та є екологічно чистою, тобто не виробляє шкідливих відходів. Виробництво енергії за допомогою сонячних електростанцій добре узгоджується із концепцією розподіленого виробництва енергії.
Фотовольтаїка- метод вироблення електричної енергії шляхом використання фоточутливих елементів для перетворення сонячної енергії на електрику.
Геліотермальна енергетика- один із способів практичного використання відновлюваного джерела енергії - сонячної енергії, що застосовується для перетворення сонячної радіації в тепло води або рідкого рідкого теплоносія, що легко кипить. Геліотермальна енергетика застосовується як промислового отримання електроенергії, так нагрівання води для побутового застосування.
Сонячна батарея- побутовий термін, який використовується в розмовній мові чи ненауковій пресі. Зазвичай під терміном "сонячна батарея" або "сонячна панель" мається на увазі кілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів (фотоелементів) - напівпровідникових пристроїв, що прямо перетворюють сонячну енергію на постійний електричний струм.
Термін "фотовольтаїка" означає звичайний робочий режим фотодіода, при якому електричний струм виникає виключно завдяки перетвореній енергії світла. Фактично всі фотовольтаїчні пристрої є різновидами фотодіодів.
Фотоелектричні перетворювачі (ФЕП)
У фотовольтаїчних системах перетворення сонячної енергії на електричну здійснюється у фотоелектричних перетворювачах (ФЕП). Залежно від матеріалу, конструкції та способу виробництва прийнято розрізняти три покоління ФЕП:
ФЕП першого покоління на основі пластин кристалічного кремнію;
ФЕП другого покоління з урахуванням тонких плівок;
ФЕП третього покоління на основі органічних та неорганічних матеріалів.
Для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії розробляються ФЕП з урахуванням каскадних багатошарових структур.
ФЕП першого покоління
ФЕП першого покоління на основі кристалічних пластин на сьогоднішній день набули найбільшого поширення. Останні два роки виробникам вдалося скоротити собівартість виробництва таких ФЕП, що забезпечило зміцнення їхніх позицій на світовому ринку.
Види ФЕП першого покоління:
монокристалічний кремній (mc-Si),
полікристалічний кремній (m-Si),
на основі GaAs,
ribbon-технології (EFG, S-web),
тонкошаровий полікремній (Apex).
ФЕП другого покоління
Технологія випуску тонкоплівкових ФЕП другого покоління передбачає нанесення шарів вакуумним способом. Вакуумна технологія, порівняно з технологією виробництва кристалічних ФЕП, є менш енерговитратною, а також характеризується меншим обсягом капітальних вкладень. Вона дозволяє випускати гнучкі дешеві ФЕП великої площі, проте коефіцієнт перетворення таких елементів нижчий проти ФЕП першого покоління.
Види ФЕП другого покоління:
аморфний кремній (a-Si),
мікро- та нанокремний (μc-Si/nc-Si),
кремній на склі (CSG),
телурид кадмію (CdTe),
(ді)селенід міді-(індія-)галію (CI(G)S).
ФЕП третього покоління
Ідея створення ФЕП третього покоління полягала у подальшому зниженні собівартості ФЕП, відмові від використання дорогих і токсичних матеріалів на користь дешевих та переробних полімерів та електролітів. Важливою відмінністю є можливість нанесення шарів друкованими методами.
Нині переважна більшість проектів у сфері ФЭП третього покоління перебувають у стадії досліджень.
Види ФЕП третього покоління:
фотосенсибілізовані барвником (DSC),
органічні (OPV),
неорганічні (CTZSS).
Встановлення та використання
ФЕП збираються в модулі, які мають нормовані настановні розміри, електричні параметри та показники надійності. Для встановлення та передачі електроенергії сонячні модулі комплектуються інверторами струму, акумуляторами та іншими елементами електричної та механічної підсистем.
Залежно від сфери застосування розрізняють такі види інсталяцій сонячних систем:
приватні станції малої потужності, що розміщуються на дахах будинків;
комерційні станції малої та середньої потужності, що розташовуються, як на дахах, так і на землі;
промислові сонячні станції, які забезпечують енергопостачання багатьох споживачів.
Максимальні значення ефективності фотоелементів та модулів, досягнуті в лабораторних умовах
Чинники, що впливають на ефективність фотоелементів
З робочої характеристики фотоелектричної панелі видно, що досягнення максимальної ефективності потрібен правильний підбір опору навантаження. Для цього фотоелектричні панелі не підключають безпосередньо до навантаження, а використовують контролер керування фотоелектричними системами, що забезпечує оптимальний режим роботи панелей.
Виробництво
Дуже часто одиночні фотоелементи не виробляють достатньої потужності. Тому певна кількість PV елементів з'єднується в звані фотоелектричні сонячні модулі і між скляними пластинами монтується зміцнення. Ця збірка може бути повністю автоматизована.
Переваги
Загальнодоступність та невичерпність джерела.
Безпека для навколишнього середовища - хоча існує ймовірність того, що повсюдне впровадження сонячної енергетики може змінити альбедо (характеристику відбивної (розсіюючої) здатності) земної поверхні і призвести до зміни клімату (проте при сучасному споживанні енергії це вкрай малоймовірно).
Недоліки
Залежність від погоди та часу доби.
Необхідність акумуляції енергії.
При промисловому виробництві - необхідність дублювання сонячних ЕС маневреними ЕС порівнянної потужності.
Висока вартість конструкції, пов'язана із застосуванням рідкісних елементів (наприклад, індій та телур).
Необхідність періодичного очищення поверхні, що відбиває від пилу.
Нагрів атмосфери над електростанцією.
Ефективність перетворення залежить від електрофізичних характеристик неоднорідної напівпровідникової структури, а також оптичних властивостей ФЕП, серед яких важливу роль відіграє фотопровідність. Вона обумовлена явищами внутрішнього фотоефекту в напівпровідниках при опроміненні їх сонячним світлом.
Основні незворотні втрати енергії у ФЕП пов'язані з:
відображенням сонячного випромінювання від поверхні перетворювача,
проходженням частини випромінювання через ФЕП без поглинання в ньому,
розсіюванням на теплових коливаннях решітки надлишкової енергії фотонів,
рекомбінацією фото-пар, що утворилися на поверхнях і в обсязі ФЕП,
внутрішнім опором перетворювача та ін.
