что такое термоэлектрический солнечный элемент
Солнечные элементы и фотоэлектрические модули для преобразования солнечного света в электричество, типы, устройство, КПД, принцип работы, вольтамперная характеристика, сколько прослужат солнечные батареи.
Солнечные элементы изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время солнечных элементов изготавливается из кремния (химический символ Si).
Солнечные элементы и фотоэлектрические модули для преобразования солнечного света в электричество, типы, устройство, КПД, принцип работы, вольтамперная характеристика, сколько прослужат солнечные батареи.
Солнечные элементы (СЭ) могут быть следующих типов:
— Монокристаллический.
— Поликристаллический.
— Аморфный.
Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные солнечные элементы имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния.
Устройство солнечного элемента.
Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и два слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок. В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные солнечные элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти солнечные элементы в последнее время также коммерчески используются.
КПД солнечных элементов:
— Монокристаллические — 12-15 %
— Поликристаллические—11-14%
— Аморфные — 6-7 %
— Теллурид кадмия — 7-8 %.
Пиковый ватт.
Солнечные элементы производят электричество, когда освещаются светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества. Яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.
Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях. Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ).
Эти условия предполагают:
— Освещенность 1000 Вт/м2.
— Солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света).
— Температура элемента 25 градусов. Это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры.
Пример.
Кристаллические кремниевые солнечные элементы с размерами 10×10 см имеют пиковую мощность примерно 1,5 Wp. Большинство панелей с площадью 1 м2, если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов, имеют номинальную мощность около 100 Вт на пике.
Фотоэлектрические модули.
Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества.
Солнечные панели (также называемые фотоэлектрические или солнечные модули) производятся многих типов и размеров. Наиболее типичные, это кремниевые фотоэлектрические модули мощностью 40—160 Wp (пиковый ватт, т. е. мощностью максимум в 40—160 Вт при ярком солнце). Такой солнечный модуль имеет размер от 0,4 до 1,6 м2. Однако, широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен в продаже.
Солнечные панели (PV panels) могут соединяться между собой в солнечные батареи (arrays) для того, чтобы получить большую мощность. Например, два модуля по 50 Wp, соединенных вместе, эквивалентны модулю мощностью 100 Wp.
КПД доступных в продаже модулей варьируется в пределах 5-15%. Это значит, что 5-15% от количества энергии, падающей на солнечный элемент, будет трансформировано в электричество. Исследовательские лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для СЭ с более высоким КПД (до 30%).
Стоимость производства также очень важна. Некоторые новые технологии (такие как, например, тонкопленочные), позволяют производить солнечные элементы в больших масштабах, что значительно снизит стоимость элементов и модулей.
Сколько прослужат солнечные батареи?
Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10%.
Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет.
Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40% мощности в первые два года эксплуатации. Поэтому, около 90% рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули. Другие компоненты системы имеют различные сроки службы. Аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет, а силовая электроника — от 5 до 20 лет.
Вольтамперная характеристика солнечной батареи.
Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольтамперной характеристике (ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен.
Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (Voc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (Isc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0.
Важные точки вольтамперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль.
На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или МРР). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как Vp (номинальное напряжение) и Iр (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.
Можно найти все эти параметры — (Voc, Isc, МРР, Vp, Iр — на шильдике или прилагаемых к модулю характеристиках. Заметьте, что Vp и Iр также называются номинальными значениями. Однако не рассчитывайте получить номинальную мощность от вашей солнечной батареи.
Почти невозможно, чтобы собранная система работала все время в точке максимальной мощности. Кроме изменений освещенности, на вырабатываемую мощность влияет температура солнечной батареи. Чем выше температура солнечной батареи, тем ниже ее мощность.
По материалам книги «Альтернативные источники энергии и энергосбережение».
Ответы к тесту: Работа солнечной электростанции
⚑ Закажите написание студенческой работы!
Если возникли сложности с подготовкой студенческой работы, то можно доверить её выполнение специалистами нашей компании. Мы гарантируем исполнить заказ во время и без ошибок!
Тестовый вопрос: Что такое двусторонний солнечный элемент?
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Солнечный элемент с двусторонней фоточувствительностью.
[неверно] Солнечный элемент на основе фотоэффекта.
[неверно] Преобразователь энергии солнечного излучения в электрическую энергию, выполненный на основе различных физических принципов прямого преобразования.
[неверно] Солнечный элемент на основе термоэлектрических явлений, в котором источником тепла является энергия солнечного излучения.
[неверно] Солнечный преобразователь на основе явления термоэлектронной эмиссии, в котором источником тепла является энергия солнечного излучения.
Тестовый вопрос: Что такое термоэлектрический солнечный элемент?
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Солнечный элемент на основе термоэлектрических явлений, в котором источником тепла является энергия солнечного излучения.
[неверно] Солнечный элемент на основе фотоэффекта.
[неверно] Преобразователь энергии солнечного излучения в электрическую энергию, выполненный на основе различных физических принципов прямого преобразования.
[неверно] Солнечный элемент с двусторонней фоточувствительностью.
[неверно] Солнечный преобразователь на основе явления термоэлектронной эмиссии, в котором источником тепла является энергия солнечного излучения.
Тестовый вопрос: Что такое термоэлектронный солнечный преобразователь?
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Солнечный преобразователь на основе явления термоэлектронной эмиссии, в котором источником тепла является энергия солнечного излучения.
[неверно] Солнечный элемент на основе фотоэффекта.
[неверно] Преобразователь энергии солнечного излучения в электрическую энергию, выполненный на основе различных физических принципов прямого преобразования.
[неверно] Солнечный элемент с двусторонней фоточувствительностью.
[неверно] Солнечный элемент на основе термоэлектрических явлений, в котором источником тепла является энергия солнечного излучения.
Тестовый вопрос: Что такое солнечный фотоэлектрический преобразователь?
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Солнечный элемент на основе фотоэффекта.
[неверно] Преобразователь энергии солнечного излучения в электрическую энергию, выполненный на основе различных физических принципов прямого преобразования.
[неверно] Солнечный элемент с двусторонней фоточувствительностью.
[неверно] Солнечный элемент на основе термоэлектрических явлений, в котором источником тепла является энергия солнечного излучения.
[неверно] Солнечный преобразователь на основе явления термоэлектронной эмиссии, в котором источником тепла является энергия солнечного излучения.
Тестовый вопрос: Укажите правильно определение термодинамическая солнечная электростанция.
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения используется как источник тепла в термодинамическом цикле преобразования тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой используется способ прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой излучение от оптической концентрирующей системы, образованной полем гелиостатов, направляется на установленный на башне приемник энергии солнечного излучения.
[неверно] Термодинамическая солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения, поглощенная теплоносителем в первом контуре, передается через теплообменник теплоносителю второго контура.
[неверно] Солнечная электростанция, состоящая из повторяющихся конструктивных элементов-модулей, содержащих однотипные концентраторы и приемники энергии солнечного излучения.
Тестовый вопрос: Укажите правильное определение модульная солнечная электростанция.
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Солнечная электростанция, состоящая из повторяющихся конструктивных элементов-модулей, содержащих однотипные концентраторы и приемники энергии солнечного излучения.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения используется как источник тепла в термодинамическом цикле преобразования тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой используется способ прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой излучение от оптической концентрирующей системы, образованной полем гелиостатов, направляется на установленный на башне приемник энергии солнечного излучения.
[неверно] Термодинамическая солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения, поглощенная теплоносителем в первом контуре, передается через теплообменник теплоносителю второго контура.
Тестовый вопрос: Укажите правильное определение фотоэлектрическая солнечная электростанция
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Солнечная электростанция, в которой используется способ прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения используется как источник тепла в термодинамическом цикле преобразования тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой излучение от оптической концентрирующей системы, образованной полем гелиостатов, направляется на установленный на башне приемник энергии солнечного излучения.
[неверно] Термодинамическая солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения, поглощенная теплоносителем в первом контуре, передается через теплообменник теплоносителю второго контура.
[неверно] Солнечная электростанция, состоящая из повторяющихся конструктивных элементов-модулей, содержащих однотипные концентраторы и приемники энергии солнечного излучения.
Тестовый вопрос: Укажите правильное определение башенная солнечная электростанция
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Солнечная электростанция, в которой излучение от оптической концентрирующей системы, образованной полем гелиостатов, направляется на установленный на башне приемник энергии солнечного излучения.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения используется как источник тепла в термодинамическом цикле преобразования тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой используется способ прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.
[неверно] Термодинамическая солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения, поглощенная теплоносителем в первом контуре, передается через теплообменник теплоносителю второго контура.
[неверно] Солнечная электростанция, состоящая из повторяющихся конструктивных элементов-модулей, содержащих однотипные концентраторы и приемники энергии солнечного излучения.
Тестовый вопрос: Укажите правильное определение двухконтурной солнечной электростанции.
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Термодинамическая солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения, поглощенная теплоносителем в первом контуре, передается через теплообменник теплоносителю второго контура.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой энергия солнечного излучения используется как источник тепла в термодинамическом цикле преобразования тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой используется способ прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.
[неверно] Солнечная электростанция, в которой излучение от оптической концентрирующей системы, образованной полем гелиостатов, направляется на установленный на башне приемник энергии солнечного излучения.
[неверно] Солнечная электростанция, состоящая из повторяющихся конструктивных элементов-модулей, содержащих однотипные концентраторы и приемники энергии солнечного излучения.
Тестовый вопрос: Что такое вакуумированный приемник?
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Приемник солнечного излучения, поглощающая поверхность которого находится в вакуумированном пространстве, ограниченном прозрачной оболочкой.
[неверно] Приемник солнечного излучения в башенной солнечной электростанции.
[неверно] Приемник солнечного излучения, тепловоспринимающая поверхность которого имеет форму полости различной конфигурации.
[неверно] Элемент термодинамических солнечных электростанций, в котором происходит генерация пара.
[неверно] Элемент термодинамических солнечных электростанций, в котором происходит предварительный нагрев теплоносителя перед его поступлением в солнечный парогенератор.
Тестовый вопрос: Что такое центральный приемник?
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Приемник солнечного излучения в башенной солнечной электростанции.
[неверно] Приемник солнечного излучения, поглощающая поверхность которого находится в вакуумированном пространстве, ограниченном прозрачной оболочкой.
[неверно] Приемник солнечного излучения, тепловоспринимающая поверхность которого имеет форму полости различной конфигурации.
[неверно] Элемент термодинамических солнечных электростанций, в котором происходит генерация пара.
[неверно] Элемент термодинамических солнечных электростанций, в котором происходит предварительный нагрев теплоносителя перед его поступлением в солнечный парогенератор.
Тестовый вопрос: Что такое полостной приемник солнечного излучения?
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Приемник солнечного излучения, тепловоспринимающая поверхность которого имеет форму полости различной конфигурации.
[неверно] Приемник солнечного излучения, поглощающая поверхность которого находится в вакуумированном пространстве, ограниченном прозрачной оболочкой.
[неверно] Приемник солнечного излучения в башенной солнечной электростанции.
[неверно] Элемент термодинамических солнечных электростанций, в котором происходит генерация пара.
[неверно] Элемент термодинамических солнечных электростанций, в котором происходит предварительный нагрев теплоносителя перед его поступлением в солнечный парогенератор.
Тестовый вопрос: Что такое солнечный парогенератор?
Выберите правильный ответ:
[ верно ] Элемент термодинамических солнечных электростанций, в котором происходит генерация пара.
[неверно] Приемник солнечного излучения, поглощающая поверхность которого находится в вакуумированном пространстве, ограниченном прозрачной оболочкой.
[неверно] Приемник солнечного излучения в башенной солнечной электростанции.
[неверно] Приемник солнечного излучения, тепловоспринимающая поверхность которого имеет форму полости различной конфигурации.
[неверно] Элемент термодинамических солнечных электростанций, в котором происходит предварительный нагрев теплоносителя перед его поступлением в солнечный парогенератор.
⚑ Успей сделать заказ со скидкой!
Если в течении 5 минут, вы оформите заявку на сайте, то получите гарантированную скидку. По истечению времени, кнопка исчезнет, поэтому поторопитесь!
Для генерации электричества от солнца вам нужен солнечный модуль, который состоит из одного или многих солнечных фотоэлектрических элементов. Когда на солнечный элемент падает солнечных свет, материал солнечного элемента поглощает часть солнечного света (фотоны). Каждый фотон имеет малое количество энергии. Когда фотон поглощается, он инициирует процесс освобождения электрона в солнечном элементе. Вследствие того, что обе стороны фотоэлектрического элемента имеют токоотводы, в цепи возникает ток когда фотон поглощается. Солнечный элемент генерирует электричество, которое может быть использовано сразу или сохранено в аккумуляторной батарее.
Принцип действия фотоэлектрического элемента
Пока солнечный элемент освещается, процесс образования свободных электронов продолжается и генерируется электричество, то есть наблюдается фотоэлектрический эффект. Материалы, из которых делается элемент – это полупроводники с особыми свойствами.
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесён сплошной металлический контакт.
Когда СЭ освещается, поглощённые фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. 2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 2б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.
Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ ) (рис. 3):
где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.
Максимальная мощность, снимаемая с единицы площади, равна
где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода.
Солнечные модули могут генерировать электричество в течение 20 и более лет. Износ происходит в основном от воздействия окружающей среды. Хорошо смонтированная солнечная батарея будет надежным, тихим и чистым источником энергии в течение многих лет.
Солнечные элементы. Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики
Коэффициент заполнения ВАХ солнечного элемента (fill factor – FF) – это отношение реальной мощности (Vpmax x Ipmax) к гипотетической мощности Voc x Isc. Этот коэффициент является одным из основых параметров, по которому можно судить о качестве фотоэлектрического преобразователя. Типичные качественные серийно выпускаемые солнечные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ > 0.70. Бракованные элементы, которые обычно продаются на eBay или китайских аукционах или интернет-магазинах (grade B), имеют коэффициент заполнения ВАХ в диапазоне от 0.4 до 0.65. У аморфных элементов и других тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей коэффициент заполнения ВАХ находится в диапазоне 0.4 – 0.7.
На рисунке справа теоретическая мощность – это площадь квадрата, а реальная мощность соответствует границе голубой фигуры. FF – это отношение площади голубой фигуры к площади суммы голубой и красной фигур. Можно сказать, что чем больше FF, тем меньше потери в элементе из-за внутреннего сопротивления.
Как работают солнечные фотоэлектрические элементы?
Структура солнечного элемента
Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO2), также известного под именем “кварцит”. Другая область применения кремния – электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.
Структура солнечного элемента из кремния 1. свет (фотоны) 2. лицевой контакт 3. отрицательный слой 4. переходной слой 5. положительный слой 6. задний контакт
Типы солнечных элементов
Кремниевые солнечные элементы могут быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Есть также гетероструктурные элементы, которые совмещают в себе кристаллический и аморфный солнечные элементы (см.ниже). Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют КПД выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.
В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, за последнее десятилетие КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза. Одной из последних технологий солнечных модулей из аморфного кремния являются тандемные солнечные модули, которые имеют повышенных КПД.
Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наиболее эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента. В России такие солнечные элементы выпускает завод Хевел.
На рисунке приведен график изменения КПД солнечных элементов за последние десятилетия. Как видим, в лабораториях уже получены результаты, приближающиеся к 45%. Конечно, до массового коммерческого использования такие технологии дойдут еще не скоро, но работа по удешевлению изготовления солнечных элементов постоянно ведется во всем мире. Как видно, максимальный КПД получают на многопереходных элементах и концентрированном освещении.
Размеры фотоэлектрических элементов
Тенденция при производстве солнечных элементов – это увеличение их размера. Большие пластины позволяют снизить удельную стоимость пикового ватта солнечного элемента. В настоящее время применяются в основном пластины размером 156 и более мм.
Первые модули мощностью 48 Вт появились в 1983 году, в них использовалось 36 ячеек размером 100 х 100 мм. После этого использовалось много ячеек с разными размерами, начиная с 100 х 100 мм, этот размер ячеек был доступен на рынке примерно до 1996 года. Другие размеры, такие как 125 х 125 мм, затем стали стандартными размерами на многие годы. Затем пластина размером 156 мм стала стандартом на более, чем 10 лет. Тогда для модуля размером 156 мм был определен термин «размер пластины M0». Позже этот размер был постепенно заменен на 156,75-мм (M2). Без увеличения габаритов модулей на 60 ячеек, пластины M2 могут увеличить мощность модуля более, чем на 5 Вт, что является значительным повышением конкурентоспособной стоимости, поэтому они стали основным размером и сохраняли этот статус в течение нескольких лет. Массовое производство пластин 156,75 мм началось в 2016 году. Согласно исследованию ITRPV, опубликованному в 2019 году, ожидается, что старый 6-дюймовый формат (156 мм x 156 мм), полностью исчезнет с рынка к концу 2019 года. Затем размер снова был увеличен на 2 мм до общего размера 158,75 мм (M3/G1), а пластина M4 – до 161,7 мм. M4 в основном использовалась для двусторонних модулей n-типа. В конце концов, на рынок был выпущен еще один вариант – M6. M6 имеет размер пластины 166 мм, что дает размер модуля 1776 x 1052 мм для варианта с полуячейками. В 2020 году массово появились размеры M12 и даже M12+. Площадь таких элементов в мм2 приведена на рисунке ниже.
Мощность солнечного элемента и мощность солнечного модуля на основе пластин различного размера
| Размер пластины | Мощность элемента (Вт) при КПД 22.5% | Мощность модуля из 60 элементов, Вт | Мощность модуля из 120 полуэлементов, Вт |
|---|---|---|---|
| M12 | 9.92 | 583 | 601 |
| M10 | 9.00 | 529 | 545 |
| M9 | 8.29 | 488 | 502 |
| M6 | 6.17 | 363 | 374 |
| G1 | 5.67 | 333 | 343 |
| M4 | 5.81 | 342 | 352 |
| M2 | 5.50 | 323 | 333 |
Пиковый ватт
| КПД серийно выпускаемых солнечных элементов, %: | |
| монокристаллические: | 15-22 |
| поликристаллические: | 12-18 |
| аморфные: | 6-12 |
| теллурид кадмия: | 8-12 |
Солнечный элемент производит электричество когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м 2 ), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет. Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.
Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:
– освещенность 1000 Вт/м 2
– солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света)
– температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).
Пример:
Большинство панелей с площадью 1 квадратный метр имеют номинальную мощность около 120-150 Втпик
(уточнение: если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов).
Ни NOCT, ни тем более STC мощности не позволяют определить, сколько именно энергии будет вырабатывать солнечная панель в реальных условиях. Для того, чтобы иметь более точное представление о производительности солнечного модуля, в мире делаются попытки ввести новые, дополнительные, показатели эффективности солнечных панелей. Одним из таких дополнительных параметров является PTC, с помощью которого можно более реально определить, сколько энергии можно ожидать от того или иного модуля. На настоящий момент PTC, наряду с NOCT, являются показателями, по которым можно проводить сравнение различных фотоэлектрических модулей. Подробнее о PTC…
Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей
Тонкопленочные солнечные элементы бывают обычно 4 основных типов:
Тонкопленочные модули из аморфного кремния. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность – стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем – около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.
CSG (Crystalline Silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (тогда как толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.
CdTe модули (кадмий-теллуровые). Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 18%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули.
CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей – медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 16-18% в модуле).
В Южной Корее была разработана принципиально новая технология тонкопленочных модулей, что может значительно способствовать массовому их распространению за счет удешевления и увеличения энергоемкости. В новых солнечных элементах присутствуют 3 цветных слоя на базе наногранул из диоксида титана. Благодаря количеству слоев новые солнечные элементы могут собирать видимый свет в трех наиболее активных длинах – красной, синей и зеленой. В результате, солнечный элемент производит электроэнергии почти в 3 раза больше, чем обыкновенные фотоэлектрические панели.
Еще одним преимуществом таких элементов является их высокая светопропускаемость, поэтому их можно располагать на крышах и окнах жилых домов. Для создания этих элементов использовался метод хроматографии и совсем не использовался кремний, что делает производство недорогим и не зависящим от исчерпаемых природных ресурсов. Толщина готовой пленки составляет всего 20 нанометров, она способна производить до 30 миллиампер электричества с каждого квадратного сантиметра. Ее КПД составляет около 17-18%.
Тонкопленочные солнечные модули состоят из примерно 6 слоев. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, затем идут полупроводники P и N типа, затем контактный слой и подложка. Принцип работы тонкопленочных солнечных элементов тот же самый, что и у кристаллических солнечных элементов.
Ниже приведены основные особенности и отличия в применении тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей.
Тонкопленочные модули в общем случае должны быть дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако на практике разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается. Более того, тонкопленочные модули обычно выполняются с использованием 2 слоев стекла, поэтому они могут быть даже дороже поликристаллических модулей той же мощности. Двойное стекло также делает тонкопленочные модули тяжелее кристаллических модулей, в которых стекло только с лицевой стороны, а с тыльной – PVC пленка (это не относится к новым double glass кристаллическим солнечным модулям).
Есть другой тип тонкопленочных солнечных модулей, в которых полупроводниковый слой нанесен на гибкую основу. Такие модули – легкие и их можно изгибать. Обычно такие модули используются в переносных системах или на кровлях со сложной формой.
Для конечных потребителей и установщиков важно рассмотреть некоторые важные особенности, которые имеют место при проектировании солнечной электростанции на основе различных типов солнечных элементов. На основе этой информации проектировщик может решить, какую технологию солнечных элементов – тонкопленочную или кристаллическую – лучше использовать в конкретном проекте.
В таблице ниже приведено очень короткое сравнение этих двух технологий. При выборе модулей для конкретного проекта необходимо также учитывать много других моментов.
| Технология | Кристаллический кремний | Тонкопленочные модули |
| Разновидности технологии | Монокристаллический кремний (c-Si) Поликристаллический кремний(pc-Si/ mc-Si) String Ribbon | Аморфный кремний (a-Si) Теллурид кадмия (CdTe) Copper Indium Gallium Selenide (CIG/ CIGS) Органические фотоэлементы (OPV/ DSC/ DYSC) |
| Отношение напряжения в рабочей точке к напряжению холостого хода (Vmp/ Voc) (выше – лучше, т.к. меньше разница между Voc и Vmp) | 80%-85% | 72%-78% |
| Температурные коэффициенты (низкий температурный коэффициент лучше при работе при высоких температурах окружающей среды) | выше (-0,4-0,5%/градус) | ниже (-0,1-0,2%/градус) |
| Заполнение вольт-амперной характеристики (идеальный элемент имеет 100% заполнение) | 73%-82% | 60%-68% |
| Конструкция модуля | в раме из анодированного алюминия | без рамы, между 2 стеклами – цена ниже, вес больше на гибком основании – легче, дешевле |
| КПД модуля | 13%-19% | 4%- 12% |
| Совместимость с инверторами | Чем меньше температурный коэффициент, тем лучше. Можно использовать бестрансформаторные инверторы | Проектировщик должен учитывать такие факторы, как температурный коэффициент, отношение Voc/Vmp, сопротивление изоляции и т.п. Обычно для тонкопленочных модулей требуется инвертор с гальванической развязкой |
| Монтажные конструкции | Типовые | Типовые, но может потребоваться специальные зажимы или крепеж. Во многих случаях стоимость установки намного меньше |
| Соединения постоянного тока | Типовые | Типовые, иногда может потребоваться больше разветвителей и предохранителей |
| Типовое применение | Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть | Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть |
| Требуемая площадь | около 150 Вт/м 2 | может потребоваться до 50% больше площади для той же мощности СБ |
Как видно из таблицы, основное отличие кристаллических и тонкопленочных элементов – в их КПД. Также, у кристаллических элементов дольше срок службы. Расходы на установку кристаллических модулей меньше, так как для одной и той же мощности нужно устанавливать примерно в 2 раза меньше по площади модулей. К недостаткам кристаллических модулей можно отнести высокую стоимость исходного материала (кристаллического кремния), его хрупкость.
Установка тонкоплёночных модулей на гибкой основе требует определённых навыков от монтажников. Мы не знаем в России никого, кто мог бы качественно установить такие модули (более того, недавно установленные в Сколково тонкоплёночные модули TegoSolar были смонтированы с грубыми нарушениями, что привело к возгоранию крыши и уничтожению довольно дорогостоящей солнечной батареи из гибких фотоэлектрических модулей).
Справедливости ради нужно отметить, что в реальных условиях модули из аморфного кремния вырабатывают больше энергии с пикового ватта, чем моно и поликристаллические солнечные панели. Последние 2 года в Москве в ИВТАНе ведутся сравнительные испытания различных модулей, предварительные результаты говорят о том, что тонкопленочные модули GET вырабатывают примерно на 13% больше электроэнергии, чем все лучшие экземпляры модулей из кристаллических солнечных элементов.
КПД солнечных элементов различных типов
Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами
Этот вопрос выделен в отдельную статью
В видео ниже – обзор технологий солнечных элементов и их КПД на 2021 год.
Неплохая статьи по теме на стороннем ресурсе: