что такое солнечный фотоэлектрический преобразователь
Виды и типы солнечных батарей
1.Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП).
Фотоэлектрический преобразователь представляют собой полупроводниковое устройство по преобразованию солнечной энергии непосредственно в электричество. Несколько соединенных между собой преобразователей образуют солнечную батарею.
Принцип работы ФЭП основан на фотовольтаическом эффекте, т.е. возникновение электрического тока при воздействии солнечного излучения на неоднородную полупроводниковую структуру.
Неоднородность структуры достигается несколькими путями.
Первый способ – легирование полупроводника различными примесями, вследствие чего образуются несколько p-n переходов.
Второй способ – соединение разных полупроводников, которые имеют разную ширину запрещенной зоны, т.е. энергию отрыва из атома электрона. При этом создаются гетеропереходы.
Третий способ – изменения химического состава полупроводника, что приводит к созданию градиента ширины запрещенной зоны, варизонных структур иначе.
Более того возможны комбинации перечисленных выше способов, что позволяет добиться большей эффективности преобразователя, которая зависит от электрофизических характеристик полупроводниковой структуры и оптических свойств преобразователя. Важным фактором, определяющим оптические свойства, является фотопроводимость, которая обуславливается явлением внутреннего фотоэффекта, возникающего при облучении полупроводника солнечным светом. Руководствуясь этими физическими свойствами на заводах изготавливают солнечные батареи, которые используются во многих отраслях промышленности.
Гелио электростанция – это солнечная установка, которая использует концентрированную солнечную энергию для приведения в действие различных машин: паровых, газотурбинных, термоэлектрических и т.п. Практическое применение гелиоэлектростанций достаточно разнообразно: выработка электроэнергии, отопление, опреснение морской воды.
Процесс концентрации солнечной энергии осуществляется в специальных концентраторах, в которых используется принцип обычной линзы. В промышленности вместо линз используют вогнутое зеркало, т.к. линзы достаточно тяжелы и имеют высокую стоимость. Такие зеркала являются основным элементом гелиоконцентратора, который собирает параллельные солнечные лучи. Как только в фокусе зеркала размещается труба с водой, она начинает нагреваться. Зеркало выполняют либо из обычного стекла, либо из полированного алюминия.
Применение зеркал, по сравнению с линзами, световодами и подобными устройствами, является наиболее эффективным, т.к. позволяет получить наиболее высокий уровень мощности солнечного излучения. Наиболее эффективно применение гелиоэлектростанций в тропических широтах. Средняя полоса также позволяет применять этот принцип преобразования энергии.
3.Солнечные коллекторы (СК).
Солнечный коллектор представляет собой низкотемпературную нагревательную установку, которая используется для автономного горячего водоснабжения как жилых, так и производственных помещений.
Солнечный коллектор – наиболее используемый тип преобразователей солнечной энергии. Они выполняют широкий спектр работ по преобразованию энергии. При помощи солнечных коллекторов добывают из колодцев воду, подогревают пищу, иссушивают фрукты и овощи, замораживают продукты и т.п.
Главное преимущество солнечного коллектора – высокое значение КПД. Мощность коллектора определяется его полезной площадью. Солнечные коллекторы могут нагреть воду до температуры 100-200 градусов (в зависимости от вида солнечных батарей).
Все солнечные коллекторы можно разделить на 3 вида: плоские, вакуумные и коллекторы-концентраторы.
Плоский коллектор представляет собой конструкцию из элемента-абсорбера, который поглощает солнечное излучение; прозрачного покрытия (обычно используется закаленное стекло с пониженным содержанием металла) и термоизолирующего слоя. Плоский солнечный коллектор способен нагревать воду до 190-200 градусов.
Особое оптическое покрытие плоского коллектора в инфракрасном свете не излучает тепло, что значительно повышает его эффективность. В качестве абсорбера широко применяется листовая медь, отличающаяся хорошей теплопроводностью.
Вакуумный коллектор имеет многослойное стеклянное покрытие. Тепловая труба вакуумного коллектора устроена, как термос. Это позволяет сохранять до 95% тепловой энергии. В нижней части трубки коллектора располагается жидкость, которая при нагревании превращается в пар. Поднимаясь в конденсатор, расположенный в верхней части трубки, пар конденсируется и передает в коллектор тепло (по законам физики).
При условиях слабой освещенности этот вид коллекторов обладает большим КПД, чем плоские коллекторы.
Коллектор-концентратор для концентрации солнечной энергии использует зеркальную поверхность, которая фокусирует свет с большой поверхности на меньшей поверхности абсорбера. Благодаря этому достигается достаточно высокая температура. В некоторых случаях излучение может концентрироваться в фокусной точке, в других случаях — вдоль тонкой фокальной линии. Для работы с концентраторами используются специальные следящие устройства, которые поворачивают его солнечному свету.
Концентраторы позволяют нагревать до значительно более высоких температур, чем предыдущие виды, однако могут концентрировать лишь прямое излучение. В туманную и облачную погоду работа концентраторов затруднена. Концентраторы наиболее эффективны в пустынных регионах и близко к экватору и используются в основном в промышленности, вследствие их дороговизны.
Солнечные фотоэлектрические установки могут быть следующих основных типов:
Автономные, работающие без подключения к сети, т.е. солнечные модули генерируют электричество для освещения, питания телевизора, радио, насоса, холодильника или ручного инструмента. Для хранения энергии используются аккумуляторные батареи.
Резервные системы, в которых фотоэлектрические системы подключаются к сетям низкого качества. И в случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения нагрузка частично или полностью покрывается солнечной системой.
Каждый из указанных видов достаточно перспективен и имеет равные с другими шансы на развитии и внедрение в повседневную жизнь каждого из нас.
Фотоэлектрический преобразователь
Содержание
Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300—350 Кельвинов и Тсолнца
6000 К их предельный теоретический КПД >90 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40 %, * а его увеличение до 50 % представляется вполне реальным.
Физический принцип работы солнечных батарей
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.
Фотоэлементы для промышленного назначения
На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:
Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.
Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.
Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.
Что такое солнечный фотоэлектрический преобразователь
Конструкции и монтаж фотоэлектрических модулей
Сегодня промышленно развитые страны производят основную часть электроэнергии централизованно, на больших энергостанциях, таких как угольные, атомные и гидроэлектростанции или электростанции, работающие на природном газе. Современные крупные электростанции имеют довольно высокие энергетические показатели, но вынуждены передавать энергию конечным потребителям на большие расстояния. По мнению ведущих специалистов в области мировой энергетики применение самых последних достижений науки и техники в развитых странах эти потери составляют от 60 до 70%. Кроме того, создание крупных электростанций обусловлено множеством экономических, экологических, географических и геологических факторов, а также требованиями безопасности и охраны окружающей среды. В связи с этим одним из перспективных направлений развития мировой энергетики является создание инфраструктуры распределенного производства энергии – распределенной энергетики, которая подразумевает наличие множества потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя излишки в общую сеть. Такая схема обеспечивает уменьшение потерь электроэнергии при транспортировке по причине максимальной приближенности электрогенераторов к потребителям электричества. Распределенное производство электроэнергии характеризуется малыми затратами на обслуживание, низким загрязнением окружающей среды и высокой эффективностью.
Одной из составляющей инфраструктуры распределенного производства энергии является энергия, полученная из возобновляемых источников.
Возобновляемая энергия признана важной составляющей энергетики в ХХ1 веке, а ее эффективное использование является одним из условий устойчивого энергообеспечения различных государств мира. Главные преимущества возобновляемых источников энергии – неисчерпаемость и экологическая чистота, что послужило основанием для бурного развития данного направления за рубежом и для весьма оптимистических прогнозов относительно использования ВИЭ в ближайшем будущем.
Возобновляемые источники энергии—это естественные источники энергии, существующие в биосфере нашей планеты и постоянно пополняющиеся за счет энергии солнца и естественных процессов. Они не являются плодом прямой человеческой деятельности. Использование возобновляемых источников энергии не добавляет дополнительной энергетической нагрузки, не ведет к повышению температуры на Земле. Экологически они безотходны, не загрязняют среду обитания. Главное достоинство возобновляемых источников энергии – неисчерпаемость и экологическая чистота.
Согласно определению, данному ООН, к возобновляемых источникам энергии относятся: солнце; ветер; морские и океанские приливы и волны; подземные горячие ключи, гидроэнергетические ресурсы больших и малых рек, продукты биомассы.
Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов или возобновляемых органических ресурсов и предоставлении для технического применения.
В современных условиях, характеризующихся инвестиционным голодом, ВИЭ могут вводиться в эксплуатацию в виде небольших модулей, не требующих больших капиталовложений, а затем наращиваться по мере необходимости. Многие установки ВИЭ могут работать в автономном режиме и не требуют большого числа обслуживающего персонала. Наконец, чрезвычайно важное в современных условиях обстоятельство – ВИЭ обеспечивают децентрализованную от энергосистем форму электроснабжения.
Выработка электроэнергии на ветроэнергетических станциях (ВЭС) выросла за последние 10 лет в 5 раз, на солнечных электрических станциях (СЭС) – в 25 раз.
В 2018 году 26 % мирового энергопотребления было удовлетворено из возобновляемых источников энергии.
Предлагается серия книг по конструкциям и монтажу оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. В первом томе предлагается рассмотреть конструкции и монтаж фотоэлектрических систем.
Глава 1. Потенциал солнечной энергии
Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Она нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные получают корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Все процессы, происходящие на Солнце, можно наблюдать лишь на его поверхности. Однако, основные реакции протекают в его внутренней части. Солнце – это огромный разогретый шар из газа, чей диаметр оценивается в 1,392 млн км. Это в 109 раз больше диаметра нашей планеты. На звезду приходится 99,87% всей массы Солнечной системы.
Основными элементами, из которых состоит наша звезда, являются водород (73,5% солнечной массы) и гелий (24,9%). На все остальные элементы приходится примерно 1,5%. Химический состав светила непостоянен – он меняется из-за превращений, происходящих во время термоядерных реакций. На заре своего существования Солнце почти полностью состояло из водорода. В ходе термоядерных реакций этот элемент превращается в гелий, поэтому его массовая доля падает. Гелий также превращается в более тяжелые элементы, однако, в целом его доля возрастает.
Конечно, у Солнца, состоящего из газов, нет привычной нам твердой поверхности. Значительную ее часть составляет атмосфера, которая по мере движения к центру светила уплотняется. Тем не менее принято выделять шесть «слоев», из которых состоит звезда. Три из них являются внутренними, а следующие три образуют солнечную атмосферу рис 1.1.
Рис.1.1. Строение Солнца
1-Ядро; 2-Зона лучистого переноса; 3-Зона конвективного переноса; 4-Фотосфера; 5-Хромосфера; 6-Корона; 7-Солнечные пятна; 8-Гранулы; 9-Протуберанец
Внутренняя структура Солнца включает следующие слои.
1.Ядро. В центре светила располагается ядро. Именно в этой области идут термоядерные реакции. Радиус ядра оценивается в 150 тыс. км. Температура здесь не опускается ниже 13,5 млн градусов, а давление доходит до 200 млрд атм. Из-за этого вещество здесь находится в крайне плотном состоянии. Его плотность составляет 150 г/куб. см. Это в 7,5 раз выше плотности золота. Именно такие условия необходимы для протекания термоядерных реакций. Надо понимать, что именно в ядре вырабатывается энергия, которую и излучает Солнце. Из ядер водорода образуется гелий. Для образования одного ядра гелия требуется 4 ядра водорода. На промежуточных стадиях образуется ядра тяжёлого водорода (дейтерия) и ядра изотопа. Эта реакция называется протон-протонной. При реакции небольшое количество массы реагирующих ядер водорода теряется, преобразуюсь в огромное количество энергии. Выделяющаяся энергия поддерживает излучение Солнца. Все остальные области звезды лишь обогреваются ядром, но сами энергию не вырабатывают.
2.Зона лучистого переноса. Над ядром располагается зона радиации, которую также именуют зоной лучистого переноса. Ее внешняя граница проходит по сфере радиусом 490 тыс. км. Температура постепенно падает от отметки в 7 млн градусов на границе с ядром до 2 млн градусов у внешней границы. Также и плотность вещества снижается с 20 до 0,2 г/куб. см. Тем не менее из-за высокой плотности атомы водорода не могут двигаться. То есть, если при нагреве, например, воды ее теплые слои поднимаются на поверхность, перенося туда тепло, то здесь такой механизм не работает – вещество остается неподвижным. Единственный способ энергии пробраться через зону радиации – это длительная цепочка поглощений и излучений фотонов атомами водорода. Из-за этого фотон, возникший при термоядерной реакции в ядре, в среднем «пробирается» наружу через зону радиации примерно 170 тыс. лет.
Солнечные фотоэлектрические станции
Солнечная энергия
Сегодня наиболее распространено использование солнечной энергии для получения низко- и среднетемпературных теплоносителей в основном для горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах, отопления, в ряде случаев для получения технологического тепла. Кроме того, солнечная энергия используется для производства электроэнергии на электростанциях, работающих либо по термодинамическому циклу, либо с прямым преобразованием солнечной радиации в электроэнергию.
Солнечная энергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая основы, методы и средства использования солнечного излучения или солнечной радиации для получения электрической, тепловой и других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.
Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен условному топливу в количестве 1,2 · 1014 т. Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82% водорода, 17% гелия, остальные элементы составляют около 1%. Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает 15–20 млн град.
Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км. Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оценкам, составляет (7,5–10) · 107 кВт · ч/год, или (0,85–1,2) · 1014 кВт, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии.
Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов: широты и долготы местности, ее географических и климатических особенностей, состояния атмосферы, высоты Солнца над горизонтом и т. д.
Поток солнечного излучения на Землю меняется, достигая максимума в 2200 кВт · ч/м 2 в год для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток солнечного излучения меняется в пределах от 800 до 1400 кВт · ч/м 2 в год. При этом продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год и несколько более. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергии всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.
В мире сегодня солнечная энергетика развивается весьма интенсивно, занимая видное место в топливно-энергетическом комплексе ряда стран.
Выработка электроэнергии из солнечного света
Солнечные электростанции с центральным приемником
Солнечные электростанции (СЭС) с термодинамическим циклом преобразования используют концентрированное солнечное излучение для нагрева промежуточного теплоносителя или непосредственно рабочего тела теплосиловой установки. В качестве концентраторов преимущественно используются зеркальные системы в виде:
Из названных схем наибольшее распространение получили СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами. В 1980-х—начале 1990-х гг. в Калифорнии (США) было сооружено 9 СЭС этого типа с суммарной мощностью 354 МВт. Часть из них работает и до сих пор. В качестве теплоносителя, нагреваемого в концентраторе до температуры 380 ◦ C, используется высокотемпературное минеральное масло, отдающее тепло водяному пару — рабочему телу паротурбинной установки. Предусмотрено дополнительное сжигание (до 20% в год по теплу) природного газа. В последнее время в различных странах (Египет, Индия, Марокко, Мексика) обсуждаются проекты создания подобных СЭС, однако окончательных решений по этому поводу не принято.
Примерно в это же время в разных странах (в том числе в СССР) были сооружены СЭС башенного типа мощностью от 1 до 10 МВт. Наиболее известна СЭС Solar One мощностью 10 МВт, сооруженная в США и впоследствии реконструированная в Solar Two с той же мощностью. Solar Two проработала несколько лет и после проведения запланированного цикла исследований была остановлена из за неконкурентоспособности.
Особенностью этих СЭС является работа только за счет солнечной энергии, без использования обычных топлив. С этой целью схема СЭС включает тепловой аккумулятор, использующий расплавленную соль, и позволяющий несколько продлить работу СЭС за пределы светового дня. Ряд СЭС подобного рода планируется создать в Испании, где действует благоприятное для солнечных установок законодательство (премия 0,12 €/кВтч сверх базовой цены за электроэнергию). В ЮАР в стадии рассмотрения находится проект башенной СЭС мощностью 100 МВт.
В восьмидесятые годы прошлого столетия в Крыму была построена первая экспериментальная солнечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 МВт с термодинамическим циклом преобразования энергии (рисунок 1).
Рисунок 1. — Поле зеркал Крымской солнечной электростанции
Зарубежный опыт создания СЭС показывает, что в перспективе такие станции станут конкурентоспособными с обычными источниками электроэнергии.
Солнечные фотоэлектрические преобразователи
Впервые на связь электричества и света указал Максвелл. В дальнейшем эта связь была доказана профессором МГУ А. Г. Столетовым, в экспериментальной установке которого (1888 г.) потек электрический ток, рожденный световыми лучами. В 1954 г. Пирсон, Чепмен и Фуллер осветили лучами две различные кремниевые пластины, соединенные вместе наподобие бутерброда. Образовалась электрическая цепь, в которой в результате внутреннего фотоэффекта возник ток.
Прямое преобразование солнечной радиации в электроэнергию осуществляется полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). Российские ученые являются признанными лидерами в сфере конструирования материалов для полупроводниковых элементов. Исследователям во главе с нобелевским лауреатом академиком Ж. Алферовым удалось создать совершенно новые структуры полупроводниковых материалов для фотоэлементов.
В настоящее время наибольшее распространение получили ФЭП на основе кремния, легированного элементами III и V групп для получения так называемого p–n-перехода. Применяются ФЭП из монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния. Основой ФЭП являются солнечные элементы, имеющие форму круга диаметром до 100 мм или многогранника. Элементы собираются в модули, имеющие при стандартной инсоляции мощность до 100 Вт (рисунок 2). Из таких модулей набираются батареи в ряде случаев мощностью до нескольких МВт.
В 2005 г. в мире было произведено ФЭП суммарной мощностью 1,727 ГВт, а к концу 2010 г. предполагается увеличение производства в 3,5 раза.
Несмотря на высокие темпы наращивания установленной мощности ФЭП как в развитых, так и в развивающихся странах, за счет высокой стоимости материалов и технологии изготовления, стоимость электроэнергии от ФЭП все еще высока — в благоприятных условиях около 0,20 цент./(кВт · ч).
Некоторую перспективу удешевления электроэнергии связывают с работой ФЭП на концентрированном солнечном излучении. При этом уменьшается удельная стоимость собственно ФЭП, но добавляется стоимость концентрирующего устройства. В этом случае оказывается целесообразным применять вместо кремния более дорогие материалы и структуры, обеспечивающие более высокий КПД. Однако такие системы пока не нашли распространения.
Рисунок 3. — Батареи ФЭП
Создание нового фотоэлектрического предприятия происходит на фоне принятого в Испании плана развития возобновляемой энергетики, в котором правительство поставило цель установить 400 МВт фотоэлектрических солнечных систем к 2010 г.
В Германии, возле города Prenzlau, введено в действие крупнейшее из созданных когда-либо предприятий для производства солнечных панелей. Оно построено неподалеку от уже действующего аналогичного предприятия Aleo/SMO. Его производственная мощность составляет 90 МВт, что соответствует примерно 550 тыс. модулей в год. Это количество ежегодно производимых фотоэлементов обеспечит электроэнергией около 45 тыс. человек.
Создание предприятия явилось ответом не только на быстрый рост внутреннего рынка фотоэлектрических технологий Германии, но также на стремительный рост мирового рынка этих технологий.
Сегодня в России имеются достаточная научная база для развития фотоэнергетики и мощное производство, которое способно создавать любые современные солнечные фотоэлектрические установки.
Экономический потенциал солнечной энергии в России сравнительно невелик, из чего следует, что сооружение СЭС с термодинамическим циклом вряд ли целесообразно. Вместе с тем условия для создания солнечных водонагревательных установок (СВУ) для горячего водоснабжения существуют практически повсеместно, особенно в теплое полугодие. Солнечное отопление с помощью систем подогрева теплоносителя в СК для России экономически нецелесообразно. Малая плотность потока солнечной радиации, поступающей в холодное время года, потребовала бы непомерно больших размеров СК в расчете на единицу отапливаемой площади. Однако представляет интерес пассивное использование солнечного тепла за счет разумной архитектуры зданий.
Наряду с СВУ солнечную энергию целесообразно использовать для производства электроэнергии с помощью ФЭП в установках небольшой мощности (в системах связи, сигнализации, навигации, для бытовых нужд в труднодоступных районах и др.).
Особый интерес представляют автономные системы электроснабжения малой мощности (до 6 кВт), которые могут использоваться на небольших предприятиях, фермерских хозяйствах, в индивидуальных жилых домах с использованием солнечной и ветровой энергий (рисунок 4).
Недостатком такого электропитания является несогласованность величины и времени поступления электроэнергии от источника к потребителю. Так, при отсутствии Солнца перестает работать солнечная батарея и потребитель обесточивается. То же самое происходит с ветроэнергетической установкой, если скорость ветра ниже 3 м/с.
Добавив к системе электропитания аккумулятор, можно избавиться от указанных недостатков. Избыток электроэнергии, вырабатываемой различными источниками, может запасаться аккумуляторной батареей (АБ). Инвертор преобразует постоянное напряжение 24 В в переменное напряжение 220 В. К выходу инвертора подключаются потребители электроэнергии.
В заключение отметим, что высокая стоимость электроэнергии от ФЭП сдерживает их более широкое применение. Эта высокая стоимость обусловлена дороговизной кремния высокой чистоты и технологического процесса. В мире и в России ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП.
Фотоэлектрические преобразователи
Все более широкое применение в разных странах находят фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Более 90 % рынка – это ФЭП на основе поли- и моно-кристаллического кремния, модули которых имеют КПД 15–17 %. В условиях средних широт такие фотоэлектрические установки могут производить 120–200 кВт ч/м 2 год. Во многих исследовательских центрах ведутся работы, направленные на повышение КПД ФЭП за счет создания слоевых (каскадных) структур, обеспечивающих более полное преобразование энергии солнечного излучения во всем его спектре, а также на снижение стоимости полупроводниковых материалов и ФЭП в целом за счет применения тонкопленочных структур и использования концентраторов солнечного излучения. Ожидается, что в обозримом будущем КПД промышленных ФЭП может быть увеличен до 30–35 %. Хотя интенсивные исследования и разработки в области фотоэлектричества во всех ведущих странах мира привели к серьезным успехам как в части повышения КПД фотопреобразователей, так и в части снижения стоимости их производства, стоимость электроэнергии, получаемой от ФЭП, все еще намного превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными источниками энергии. В настоящее время электроэнергию, получаемую от ФЭП, следует рассматривать как возможность снабжения энергией потребителей, удаленных от электросетей или желающих иметь резервный источник на случай отказа системы электроснабжения. Чаще всего при этом речь идет об установках сравнительно небольшой мощности, имеющих в своем составе аккумуляторную батарею для электроснабжения в темное время суток.
Применение фотоэлектрических преобразователей
Автономное питание потребителей, не имеющих подключения к централизованному электроснабжению
Коммуникационные системы (ретрансляторы, мобильные радиосистемы, телефонные сети, автономные системы контроля и управления). Мощность фотоэлектрических установок, применяемых в этой области, составляет от нескольких ватт до нескольких киловатт.
Катодная защита. ФЭП нашли широкое применение как автономный источник питания систем защиты от коррозии телекоммуникационных вышек, трубопроводов, подземных металлических резервуаров и подземных конструкций зданий, подверженных агрессивному воздействию окружающей среды. Как правило, их мощность для этих целей не превышает 10 кВт.
Сигнальные устройства. Электропитание с помощью ФЭП сигнальных навигационных огней на реках, в море, огней безопасности, устанавливаемых на линиях электропередач, высотных сооружениях, световых и звуковых сигнальных устройств на железнодорожных путях и автомобильных дорогах и т.п.
Освещение. Десятки тысяч ФЭП в сочетании с аккумуляторными батареями используются в разных странах для освещения рекламных щитов, дорожных и парковочных знаков и указателей и т.п., в том числе внутри больших городов.
Электрохолодильники. Большое распространение, особенно в странах с жарким климатом, получили электрохолодильники, запитываемые от ФЭП, позволяющие хранить ценные скоропортящиеся продукты, в первую очередь, медикаменты, вакцины и т.п.
Удаленный мониторинг. Это направление использования ФЭП является также одним из наиболее распространенных. Сегодня в разных странах действует более 100000 фотоэлектрических установок, обеспечивающих питание автономных метеостанций, станций автономного контроля температуры и уровня воды, расхода жидкостей в трубопроводах, контроля уровня загрязнения воздуха вблизи промышленных предприятий и т.п.
Водонасосные установки. Фотоэлектрические установки находят применение для подъема питьевой воды из скважин и колодцев, для ирригационных целей в сельском хозяйстве. Установки работают при наличии солнечного излучения, накапливая воду в резервуаре. Такие установки отличаются простотой конструкции и относительно недороги, поскольку не требуют использования аккумуляторных батарей в своем составе.
Энергоснабжение жилых домов
Одна из задач, связанных с применением ФЭП в жилых и административных зданиях, состоит в том, чтобы модули ФЭП могли заменять традиционные строительные элементы и облицовочные материалы. При этом они должны удовлетворять архитектурным решениям и быть привлекательными с эстетической точки зрения.
Создание солнечных электростанций
В ряде стран действует несколько десятков демонстрационных фотоэлектрических станций мощностью более 100 кВт каждая, являющихся прообразами будущих крупных солнечных электростанций. Они пока еще далеки от самоокупаемости, но важны для накопления опыта эксплуатации и демонстрации перспективных экологически чистых энергетических технологий. В России суммарные производственные мощности по выпуску ФЭП по данным производителей составляют несколько МВт в год. Производимые несколькими российскими предприятиями ФЭП отвечают современным международным стандартам и в основном поставляются в зарубежные страны.
Рис. 7.1. Структурные схемы систем электроснабжения с солнечными батареями: СБ – солнечная батарея; К – контроллер; АБ – аккумуляторная батарея; И – инвертор; РУ – распределительное устройство; Н – нагрузка
Существуют три основных структурно-схемных решения систем электроснабжения с использованием солнечных электростанций. Их разновидности представлены на рис. 7.1.
Эффективность фотоэлектрической системы зависит от уровня солнечной радиации. Основной составляющей фотоэлектрических систем являются модули, в которые объединяются фотоэлементы. Модули бывают рассчитаны на любое напряжение, вплоть до нескольких сотен вольт. Если в системе имеются нагрузки переменного тока, то для преобразования в переменный ток в состав системы входят инверторы. При выборе фотоэлементов для автономной солнечной энергосистемы необходимо знать КПД того или иного вида фотоэлементов. Известно, что КПД фотоэлемента представляет собой отношение энергии, попадающей на фотоэлемент, к электроэнергии, поступившей к потребителям электроэнергии. Существует практическое значение КПД, теоретическое и лабораторное значения КПД. Ниже приведены значения практического КПД фотоэлементов промышленного производства:
Технология изготовления солнечных модулей
Материалы для изготовления солнечных модулей
Производство солнечных батарей в настоящее время является довольно актуальной задачей. Благодаря тому, что спрос на альтернативные источники энергии с каждым годом становится все выше, солнечные батареи все чаще используются в различных устройствах и механизмах. Энергетические потребности человечества постоянно растут, что приводит к увеличению выработки электроэнергии, следовательно, и добыче энергетических ресурсов, которых становится все меньше. В связи с этим солнечные батареи, как источник альтернативной энергии все тверже заявляет свои права на рынке мировой энергетики. Любой завод по производству солнечных батарей имеет прогрессивное оборудование. Производства отличаются исключительно материалом, лежащим в основе самих солнечных батарей. Непосредственно технология производства в зависимости от материала меняется незначительно. Чаще всего для производства модулей используют поли- и монокристаллический кремний. Несмотря на невысокий КПД подобных устройств, их стоимость сравнительно мала и позволяет внедрять совершенные источники в любые устройства. Также существует производство аморфного кремния, но такая технология нерентабельна в больших масштабах, поэтому изготовление фотоэлементов на базе кристаллов является основным направлением производства.
Фотоэлектрический модуль состоит из нескольких соединенных солнечных элементов, инкапсулированных в едином, долговечном и стабильном устройстве. Главная цель инкапсуляции – защитить электрически соединенные солнечные элементы и проводку от неблагоприятной окружающей среды, в которой им приходится работать. Основные функции модуля – защита элементов от механических повреждений и воды. Существует множество различных видов модулей (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Типичный фотоэлектрический модуль на основе кремниевых солнечных элементов
Они часто отличаются в зависимости от типа солнечных элементов и области применения. К примеру, солнечные элементы на основе аморфного кремния обычно инкапсулируются в эластичные батареи, тогда как солнечные элементы на основе подложек кристаллического кремния помещают в жесткие модули со стеклянной поверхностью. Срок годности и гарантия на модули кристаллических солнечных элементов обычно составляет не менее 20 лет, что говорит об их высокой надежности.
Большинство модулей кристаллических солнечных элементов состоит из прозрачного лицевого поверхностного слоя, инкапсулятора, заднего слоя и рамки вокруг внешних краев. В большинстве модулей верхний слой изготавливают из стекла, инкапсулятор – из этилвинилацитата (EVA), а задний слой – из поливинилфлорида (PVF или Tedlar) (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Строение типичного модуля для кристаллических солнечных элементов
Лицевая поверхность фотоэлектрического модуля должна иметь высокую пропускающую способность излучения, низкое отражение. Верхний слой должен быть непроницаем для воды, иметь хорошее сопротивление к ударам, не зависеть от ультрафиолетового облучения и иметь низкое термическое сопротивление.
Существуют несколько материалов, из которых можно изготовить лицевую поверхность. Это акриловые волокна, полимеры или стекло. Чаще всего выбирают стекло с низким содержанием железа, так как оно имеет высокую прочность, стабильность, прозрачность, непроницаемо для воды и газов, имеет хорошие самоочистительные свойства и низкую стоимость. Инкапсулятор нужен для создания промежуточного слоя между солнечными элементами, лицевой поверхностью и тыльной поверхностью фотоэлектрического модуля.
Инкапсулятор должен сохранять свои свойства при высоких температурах и интенсивном облучении ультрафиолетом. Он также должен быть оптически прозрачным и иметь низкое термическое сопротивление. Наиболее часто в качестве инкапсулятора используются этилвинил ацетат (EVA). EVA поставляется в виде тонких листов, которые вкладываются между солнечными элементами и лицевой и тыльной поверхностями. При нагреве до 150 ºС молекулы EVA полимеризуются и связываются друг с другом.
Главным требованием к задней поверхности фотоэлементов модуля является низкое термическое сопротивление и водонепроницаемость. Последним элементом конструкции модуля является его обрамление. Обычно каркас делают из алюминия.
Плотность упаковки солнечных элементов в фотоэлектрическом модуле рассчитывается как отношение площади модуля, которую занимают солнечные элементы, к пустующей площади. Плотность упаковки наряду с рабочей температурой является фактором, определяющим выходную мощность батареи. Плотность упаковки зависит от формы используемых солнечных элементов. Например, монокристаллические элементы бывают круглыми или полукруглыми, тогда как поликристаллические элементы обычно квадрантные. Поэтому плотность упаковки монокристаллических элементов ниже, чем поликристаллических.
Технология получения кремния
Технология получения монокристаллов полупроводникового кремния состоит из следующих этапов:
Достоинства и недостатки солнечных фотоэлектростанций
Важно правильно ориентировать поверхность солнечных модулей и установить нужный угол наклона.
Наибольшей эффективностью, в том числе экономической, и надежностью обладают комбинированные (гибридные) автономные системы, например, ветроэлектростанция и фотоэлектрическая система. Полностью автономные системы обладают более низкой производительностью, поскольку размер и количество модулей подбираются из расчета достаточного получения энергии в зимнее время, несмотря на неизбежное ее перепроизводство летом. Комбинированные системы имеют более высокий КПД, поскольку размеры фотоэлементов подбираются, исходя из требуемой нагрузки в летний период, а зимой и в пасмурную погоду дополнительное количество электроэнергии вырабатывается газопоршневыми станциями или ветроустановками.
Несмотря на развитие технологий, солнечная энергия остается наиболее дорогим из известных видов ВИЭ. Развитие солнечной энергетики в перспективе приведет к удешевлению солнечной энергии и фотоэлементов. В настоящее же время использование фотоэлектрических элементов для нужд автономного электроснабжения рентабельно лишь в удаленных от централизованного электроснабжения районах или при невозможности использования других автономных источников энергии по экологическим причинам.
Развитие солнечной энергетики в России и мире
Солнечная энергия все более широко используется для производства электроэнергии при помощи фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и солнечных энергоустановок с термодинамическим преобразованием энергии.
В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт. В 2005 году производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт. В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт, а общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии. В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. Лидером по установленной мощности является Евросоюз, среди отдельных стран – Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер – Германия. В 2010 году 2,7 % потребляемой электроэнергии в Испании и 3 % потребляемой электроэнергии в Италии было получено из солнечной энергии.
В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20–25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20—25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно.
Бытующее мнение о том, что Россия, расположенная преимущественно в средних и высоких широтах, не располагает значительными ресурсами солнечной энергии для ее эффективного энергетического использования, не соответствует действительности.
Рис. 7.4. Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной энергии по территории России, кВт ч/м2день
На рис. 7.4 приведены годовые среднедневные суммы солнечной радиации на неподвижные наклонные поверхности южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту, обеспечивающим максимальный «сбор» солнечного излучения. Территория России разбивается преимущественно на 4 окрашенных разными цветами зоны, наиболее «солнечными» районами России оказываются Приморье, юг Иркутской области, Бурятия, Тыва.
Наиболее солнечные регионы России по количеству поступающей солнечной радиации практически не уступают считающимся благоприятными для эффективного использования солнечной энергии европейским странам. Безусловно, Россия характеризуется гораздо более холодным климатом, что накладывает некоторые ограничения и дополнительные требования к солнечным установкам.