Фотоелектричният метод за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа енергия се основава на явлението фотоелектричен ефект - освобождаването на електрони на проводимост в приемника на радиация под въздействието на кванти на слънчевата радиация.

Този ефект се използва в полупроводникови материали, в които енергията на радиационните кванти hnсъздава, например, върху стр–н- преход на фототок

I f=eN e,

Където N e– броят на електроните, създаващи потенциална разлика на кръстовището, в резултат на което на кръстовището ще тече ток на утечка в обратна посока аз, равен на фототока, който е постоянен.

Загубите на енергия по време на фотоелектричното преобразуване се дължат на непълно използване на фотони, както и на разсейване, съпротивление и рекомбинация на вече генерирани електрони на проводимост.

Най-разпространените промишлено произведени слънчеви клетки (фотоклетки) са силициеви клетки с формата на пластини. Има и други видове и дизайни, които се разработват за подобряване на ефективността и намаляване на цената на слънчевите клетки.

Дебелината на слънчевата клетка зависи от нейната способност да абсорбира слънчевата радиация. Използват се полупроводникови материали като силиций, галиев арсенид и др., защото те започват да абсорбират слънчевата радиация с достатъчно дълга дължина на вълната и могат да преобразуват значителна част от нея в електричество. Поглъщането на слънчевата радиация от различни полупроводникови материали достига най-голяма стойност, когато дебелината на плочите е от 100 до 1 микрон или по-малко.

Намаляването на дебелината на слънчевите клетки може значително да намали потреблението на материали и разходите за тяхното производство.

Разликите в абсорбционната способност на полупроводниковите материали се обясняват с разликите в тяхната атомна структура.

Ефективността на преобразуване на слънчевата енергия в електрическа не е висока. За силициеви елементи не повече от 12...14%.

За да се увеличи ефективността на слънчевите клетки, се използват антирефлексни покрития на предната страна на слънчевата клетка. В резултат на това делът на предадената слънчева радиация се увеличава. За елементи без покритие загубите на отражение достигат 30%.

Напоследък се използват редица нови материали за производството на слънчеви клетки. Един от тях е аморфният силиций, който за разлика от кристалния силиций няма правилна структура. За аморфна структура вероятността за абсорбция на фотон и преход към зоната на проводимост е по-голяма. Поради това има по-голяма абсорбираща способност. Използва се и галиев арсенид (GaAs). Теоретичната ефективност на елементите, базирани на GaAs, може да достигне 25%, а реалните елементи имат ефективност от около 16%.

Разработва се технологията на тънкослойните слънчеви клетки. Въпреки факта, че ефективността на тези елементи в лабораторни условия не надвишава 16%, те имат по-ниска цена. Това е особено ценно за намаляване на разходите и потреблението на материали в масовото производство. В САЩ и Япония тънкослойните елементи се произвеждат върху аморфен силиций с площ от 0,1 ... 0,4 m 2 с ефективност 8 ... 9%. Най-разпространената тънкослойна слънчева клетка са клетките от кадмиев сулфид (CdS) с ефективност 10%.

Друг напредък в технологията за тънкослойни слънчеви клетки е производството на многослойни клетки. Те ви позволяват да покриете по-голямата част от спектъра на слънчевата радиация.

Активният материал на слънчевата клетка е доста скъп. За по-ефективно използване слънчевата радиация се събира на повърхността на слънчевата клетка с помощта на концентриращи системи (фиг. 2.7).

С увеличаването на радиационния поток характеристиките на елемента не се влошават, ако неговата температура се поддържа на нивото на температурата на околния въздух с активно или пасивно охлаждане.

Има голям брой концентриращи системи, базирани на лещи (обикновено плоски френелови лещи), огледала, призми с пълно вътрешно отражение и др. Ако възникне силно неравномерно облъчване на слънчеви клетки или модули, това може да доведе до разрушаване на слънчевата клетка.

Използването на концентриращи системи позволява да се намалят разходите за слънчеви електроцентрали, тъй като концентриращите елементи са по-евтини от слънчевите клетки.

Тъй като цената на слънчевите клетки падна, стана възможно изграждането на големи фотоволтаични инсталации. До 1984 г. в САЩ, Италия, Япония, Саудитска Арабия и Германия са построени 14 сравнително големи слънчеви електроцентрали с мощности от 200 kW до 7 MW.

Слънчевата фотоволтаична инсталация има редица предимства. Той използва чист и неизчерпаем източник на енергия, няма движещи се части и следователно не изисква постоянен надзор от персонала по поддръжката. Соларните клетки могат да се произвеждат в масови количества, което ще намали цената им.

Слънчевите батерии се сглобяват от соларни модули. В същото време има голям избор от видове и размери на тези устройства със същата ефективност на преобразуване на енергия и същата производствена технология.

Тъй като подаването на слънчева енергия е периодично, най-рационално е фотоволтаичните системи да се включват в хибридни централи, които използват както слънчева енергия, така и природен газ. В тези станции могат да се използват газови турбини от ново поколение. Хибридните електроцентрали с ниска мощност, състоящи се от фотоволтаични панели и дизелови генератори, вече са надеждни доставчици на енергия.

Край на работата -

Тази тема принадлежи към раздела:

Катедра Промишлена топлоенергетика.. записки от лекциите по дисциплината Нивие Грибанов А.. текстът е отпечатан..

Ако имате нужда от допълнителен материал по тази тема или не сте намерили това, което търсите, препоръчваме да използвате търсенето в нашата база данни с произведения:

Какво ще правим с получения материал:

Ако този материал е бил полезен за вас, можете да го запазите на страницата си в социалните мрежи:

Всички теми в този раздел:

Енергийни ресурси на планетата
Енергийните ресурси са материални обекти, в които е концентрирана енергия. Енергията може грубо да бъде разделена на видове: химическа, механична, топлинна, електрическа и др. Към основните енергийни ресурси от

Възможности за използване на енергийни ресурси
Термоядрена енергия Термоядрената енергия е енергията от синтеза на хелий от деутерий. Деутерият е водороден атом, чието ядро ​​се състои от един протон и един неутро

Енергийни ресурси на Русия
Русия има огромни запаси от енергийни ресурси и особено от въглища. Теоретичен потенциал са запаси от гориво, които не са специално проверени. Техническа мощ

Производство на енергия в топлоелектрически централи
Както в повечето страни по света, по-голямата част от електроенергията в Русия се генерира в топлоелектрически централи, които изгарят изкопаеми горива. Като гориво в топлоелектрическите централи се използват твърди, течни и газообразни горива.

График на променлива консумация на енергия
Консумацията на електроенергия не е еднаква през целия ден. В пиковите часове тя рязко се повишава, а през нощта значително намалява. Следователно електроенергийната система трябва да има базови мощности, работещи в т.

Проблеми с преноса на електричество
Преносът на електрическа енергия на големи разстояния е свързан със загуби в електропроводите. Електрическата енергия се губи равна на произведението на тока и електрическата мощност. съпротивление на проводника. Предава се по жичен път

Газови турбини и газови инсталации с комбиниран цикъл (GTU и CCGT)
В момента газовите турбини и газовите инсталации с комбиниран цикъл са най-обещаващите от всички инсталации за производство на топлинна и електрическа енергия. Използването на тези инсталации в много страни

Магнитохидродинамични единици (MGDU)
Обещаващо е и използването на електроцентрали, базирани на магнитохидродинамичен генератор. Цикълът MGDU е същият като при газова турбина, т.е. адиабатно компресиране и разширение на работния флуид, изобарно захранване

Горивни клетки
Понастоящем горивните клетки се използват за генериране на електрическа енергия за генериране на електричество. Тези елементи преобразуват енергията на химичните реакции в електрическа енергия. химически

Термопомпи
HP се наричат ​​устройства, които работят на обратен термодинамичен цикъл и са предназначени да пренасят топлина от източник на енергия с нисък потенциал към източник с висок потенциал. Втори закон

Мястото на малката енергетика в руския енергиен сектор
Нетрадиционните енергийни източници включват малки водноелектрически централи, дизелови електроцентрали, газобутални електроцентрали и малки атомни електроцентрали. Гарант за надеждно захранване, топлина

Малки електроцентрали с газови турбини и комбиниран цикъл
Газотурбинните електроцентрали с ниска мощност са компактни инсталации, произведени на принципа на блок-контейнер. Компонентите на газотурбинна електроцентрала позволяват да се генерира не само електричество, но и

Мини ТЕЦ
Понастоящем има повишен интерес към комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия с помощта на малки инсталации с мощност, варираща от няколко десетки kW до няколко

Дизелови електроцентрали
В някои труднодостъпни региони на Русия, където е нерентабилно да се инсталират електропроводи, се използват бензинови и дизелови електроцентрали за доставка на енергия на населението на тези райони. В районите на далечния север броят

Газобутални електроцентрали
защото Тъй като цените на дизеловото гориво непрекъснато растат, използването на дизелови електроцентрали, използващи дизелово гориво, става скъпо, поради което в момента има голям интерес към

Малки хибридни електроцентрали
За повишаване на надеждността и ефективността на системите за захранване е необходимо създаването на многофункционални енергийни комплекси (MEC). Също така комплексите могат да бъдат създадени на базата на малки хибридни електрически

Малки атомни електроцентрали
Напоследък има значителен интерес към атомните електроцентрали с ниска мощност. Това са станции с блоково проектиране, те ви позволяват да обедините оборудването и да работите автономно. Такива станции могат да бъдат надеждни

Малка ВЕЦ
Лидер в развитието на малка водноелектрическа енергия е Китай. Капацитетът на малките водноелектрически централи (ПАВЕЦ) в Китай надхвърля 20 хиляди MW. В Индия инсталираната мощност на МВЕЦ надхвърля 200 MW. Широко разпространено използване на МВЕЦ

Основните невъзобновяеми енергийни ресурси рано или късно ще бъдат изчерпани. В момента около 80% от потреблението на енергия на планетата идва от изкопаеми горива. Когато се използва по този начин, органично

Хидроенергия
Водноелектрическата централа използва енергията на водния поток като източник на енергия. Водноелектрическите централи се изграждат на реките чрез изграждане на язовири и резервоари. За ефективно производство на енергия във водноелектрическите централи са необходими 2 основни фактора

Слънчева енергия
Слънчевата енергия е резултат от реакция на синтез между ядрата на леките елементи деутерий, тритий и хелий, които са придружени от огромни количества енергия. Източникът на цялата енергия, с изключение на

Преобразуване на слънчевата енергия в топлинна енергия
Слънчевата енергия може да се преобразува в топлинна с помощта на колектор. Всички слънчеви колектори имат повърхностен или обемен топлоабсорбатор. Топлината може да се отвежда от колектора или да се съхранява

Термодинамично преобразуване на слънчевата енергия в електрическа
Методите за термодинамично преобразуване на слънчевата енергия в електрическа се основават на цикли на топлинен двигател. Слънчевата енергия се преобразува в електричество в слънчеви електроцентрали (

Перспективи за развитие на слънчевата енергия в Русия
През 1985 г. в село Щелкино, Кримска област, е пусната в експлоатация първата в СССР кулова слънчева електроцентрала SES-5 с електрическа мощност 5 MW. 1600 хелиостата (плоски зърна

Характеристики на използването на вятърна енергия
Основната причина за вятъра е неравномерното нагряване на земната повърхност от слънцето. Вятърната енергия е много силна. Според оценките на Световната метеорологична организация запасите от вятърна енергия

Производство на електроенергия с помощта на вятърни турбини
Използването на вятърни турбини за производство на електричество е най-ефективният начин за преобразуване на вятърна енергия. При проектирането на вятърни турбини е необходимо да се вземат предвид техните следните характеристики

Вятърна енергия в Русия
Ветроенергийният потенциал на Русия се оценява на 40 милиарда kW. h електроенергия годишно, тоест около 20 000 MW. Вятърен парк с мощност 1 MW със средна годишна скорост на вятъра 6 m/s спестява 1

Произход на геотермалната енергия
В ядрото на Земята температурите достигат 4000 °C. Освобождаването на топлина през твърди скали на сушата и океанското дъно се дължи главно на топлопроводимостта и по-рядко под формата на конвективни потоци от разтопена течност.

Техника за извличане на геотермална топлина
Източниците на геотермална енергия могат да бъдат разделени на пет вида. 1. Източници на геотермална суха пара. Те са доста редки, но са най-удобни за изграждане на геотермални централи. 2. Източник

Електричество
Преобразуването на геотермална енергия в електрическа енергия се извършва по машинен метод с помощта на термодинамичен цикъл в геотермална електроцентрала. За изграждането на геотермални електроцентрали, най-използваните

По-значителен е мащабът на използване на геотермалната топлина за отопление и топла вода. В зависимост от качеството и температурата на термалната вода съществуват различни геотермални схеми

Въздействие на геотермалната енергия върху околната среда
Основното въздействие на ГеоТЕЦ върху околната среда е свързано с разработването на находища, изграждането на сгради и паропроводи. За да осигуря GeoTES необходимото количество пара или топла вода, изисквам

Геотермална енергия в Русия
В Русия са проучени 47 геотермални находища със запаси от термални води, които позволяват получаването на повече от 240 × 103 m3 / ден. термални води и парни хидротерми произвеждат

Причини за горещи вълни
Приливите и отливите са резултат от гравитационното взаимодействие на Земята с Луната и Слънцето. Приливната сила на Луната в дадена точка на земната повърхност се определя като разликата в местната стойност на гравитационната сила

Приливни електроцентрали (ТЕЦ)
Водата, издигната до максималната си височина по време на прилив, може да бъде отделена от морето с язовир. В резултат на това се образува приливна локва. Максималната мощност, която може да се получи чрез преминаване

Въздействие на ПЕС върху околната среда
Възможните въздействия върху околната среда на приливните електроцентрали могат да бъдат свързани с увеличени диапазони на приливи и отливи от океанската страна на язовира. Това може да доведе до наводняване на земя и конструкции

Енергия на приливите и отливите в Русия
В Русия използването на приливна енергия в крайбрежните зони на Северния ледовит и Тихия океан е свързано с големи капиталовложения. Първата електроцентрала в нашата страна, Кислогубская ТЕЦ

Вълнова енергия
Можете да получите огромно количество енергия от морските вълни. Силата, пренасяна от вълните през дълбоки води, е пропорционална на квадрата на тяхната амплитуда и период. Най-голям интерес представляват дългите

Енергия на океанските течения
Цялата акватория на Световния океан се пресича от повърхностни и дълбоки течения. Запасът от кинетична енергия на тези течения е около 7,2∙1012 kW∙h/год. Тази енергия с помощта

Океански топлинни енергийни ресурси
Световният океан е естествен акумулатор на слънчева енергия. В тропическите морета горният слой вода с дебелина няколко метра е с температура 25...30 °C. На дълбочина 1000 м температурата на водата е

Океански топлоелектрически централи
Предлагат се няколко типа устройства за преобразуване на енергията от температурните промени в океана. Най-голям интерес представлява преобразуването на топлинна енергия в електрическа с помощта на термодинамика

Ресурси от биомаса
Терминът „биомаса“ се отнася до органична материя от растителен или животински произход, която може да се използва за производство на енергия или технически удобни горива от

Термохимично преобразуване на биомаса (изгаряне, пиролиза, газификация)
Едно от основните направления на рециклирането на дървесни отпадъци е използването им за производство на топлинна и електрическа енергия. Основните технологии за получаване на енергия от дървесни отпадъци са:

Биотехнологично преобразуване на биомаса
Биотехнологичното преобразуване използва различни органични отпадъци със съдържание на влага най-малко 75%. Биологичното преобразуване на биомасата се развива в две основни направления: 1) ферма

Екологични проблеми на биоенергията
Биоенергийните инсталации помагат за намаляване на замърсяването на околната среда от всички видове отпадъци. Анаеробната ферментация е не само ефективен начин за използване на животински отпадъци

Характеристики на твърдите битови отпадъци (ТБО)
Всяка година в градските сметища се натрупват стотици хиляди тонове битови отпадъци. Специфичното годишно производство на твърди отпадъци на жител на съвременен град е 250...700 kg. В развитите страни тази стойност е напр

Рециклиране на твърди отпадъци на сметища
Понастоящем твърдите битови отпадъци обикновено се транспортират до депата с очакване на последващата им минерализация. Препоръчително е твърдите отпадъци да бъдат пресовани преди изхвърляне. Това не само намалява

Компостиране на твърди отпадъци
Второто направление на обезвреждането на твърдите отпадъци е преработката им в органичен тор (компост). До 60% от общата маса на битовите отпадъци могат да бъдат компостирани. Процесът на компостиране се извършва на ротационен принцип

Изгаряне на твърди отпадъци в специални инсталации за изгаряне на отпадъци
В икономически развитите страни все повече твърди отпадъци се преработват по промишлени методи. Най-ефективният от тях е термичният. Позволява ви да намалите обема на отпадъците почти 10 пъти

Повечето възобновяеми видове енергия - хидроенергия, механична и топлинна енергия от световните океани, вятърна и геотермална енергия - се характеризират или с ограничен потенциал, или със значителни трудности при широко използване. Общият потенциал на повечето възобновяеми енергийни източници ще увеличи потреблението на енергия от настоящите нива само с порядък. Но има и друг източник на енергия - Слънцето. Слънцето, звезда от спектрален клас 2, жълто джудже, е много средна звезда във всичките си основни параметри: маса, радиус, температура и абсолютна величина. Но тази звезда има една уникална характеристика - тя е „нашата звезда“ и човечеството дължи цялото си съществуване на тази средна звезда. Нашата звезда доставя на Земята мощност от около 10 17 W - такава е мощността на "слънчевото зайче" с диаметър 12,7 хиляди км, което постоянно осветява страната на нашата планета, обърната към Слънцето. Интензитетът на слънчевата светлина на морското равнище в южните ширини, когато Слънцето е в зенита си, е 1 kW/m2. Чрез разработването на високоефективни методи за преобразуване на слънчевата енергия, Слънцето може да осигури бързо нарастващи енергийни нужди за много стотици години.

Аргументите на противниците на широкомащабното използване на слънчевата енергия се свеждат основно до следните аргументи:

1. Специфичната мощност на слънчевата радиация е малка и мащабното преобразуване на слънчевата енергия ще изисква много големи площи.

2. Преобразуването на слънчевата енергия е много скъпо и изисква почти нереални разходи за материали и труд.

Наистина, колко голяма ще бъде площта на Земята, покрита от преобразувателни системи, за да се произведе значителен дял от електроенергията в глобалния енергиен бюджет? Очевидно тази област зависи от ефективността на използваните конверторни системи. За да оценим ефективността на фотоволтаичните преобразуватели, които директно преобразуват слънчевата енергия в електрическа с помощта на полупроводникови фотоклетки, въвеждаме концепцията за коефициент на ефективност (ефективност) на фотоклетка, дефиниран като съотношението на мощността на електричеството, генерирано от даден елемент, към мощност на слънчев лъч, падащ върху повърхността на фотоклетката. По този начин, при ефективност на слънчевите преобразуватели, равна на 10% (типични стойности на ефективност за силициеви фотоклетки, широко използвани в серийно промишлено производство за нуждите на наземната енергия), за да се произведе 10 12 W електроенергия, ще е необходимо покриват площ от 4 * 10 10 m 2 с фотопреобразуватели, равни на квадрат със страна 200 km. В този случай интензитетът на слънчевата радиация се приема за 250 W/m 2, което съответства на типичната средна стойност през годината за южните ширини. Тоест „ниската плътност“ на слънчевата радиация не е пречка за развитието на мащабна слънчева енергия.

Горните съображения са доста убедителен аргумент: проблемът с преобразуването на слънчевата енергия трябва да бъде решен днес, за да се използва тази енергия утре. Човек може поне на шега да разглежда този проблем в рамките на решаването на енергийните проблеми на контролирания термоядрен синтез, когато ефективен реактор (Слънцето) е създаден от самата природа и осигурява ресурс за надеждна и безопасна работа в продължение на много милиони години, а нашият задачата е само да се разработи наземна преобразувателна подстанция. Напоследък в света се провеждат обширни изследвания в областта на слънчевата енергия, които показват, че в близко бъдеще този метод за генериране на енергия може да стане икономически оправдан и да намери широко приложение.

Русия е богата на природни ресурси. Имаме значителни запаси от изкопаеми горива – въглища, нефт, газ. Използването на слънчевата енергия обаче е от голямо значение и за страната ни. Въпреки факта, че значителна част от територията на Русия се намира на високи географски ширини, някои много големи южни региони на страната ни имат много благоприятен климат за широкото използване на слънчевата енергия.

Използването на слънчевата енергия има още по-големи перспективи в страните от екваториалния пояс на Земята и районите в близост до този пояс, характеризиращи се с високо ниво на слънчева енергия. Така в редица региони на Централна Азия продължителността на прякото слънчево облъчване достига 3000 часа годишно, а годишното пристигане на слънчева енергия върху хоризонтална повърхност е 1500 - 1850 kW o час / m 2.

Основните насоки на работа в областта на преобразуването на слънчевата енергия в момента са:

— директно топлинно нагряване (получаване на топлинна енергия) и термодинамично преобразуване (получаване на електрическа енергия с междинно преобразуване на слънчевата енергия в топлина);

— фотоелектрическо преобразуване на слънчева енергия.

Директното топлинно отопление е най-простият метод за преобразуване на слънчевата енергия и се използва широко в южните райони на Русия и в екваториалните страни в слънчеви отоплителни инсталации, захранване с топла вода, охлаждане на сгради, обезсоляване на вода и др. Основата на слънчевите топлоизползващи инсталации са плоските слънчеви колектори - абсорбатори на слънчева радиация. Водата или друга течност, която е в контакт с абсорбера, се нагрява и отстранява от него с помощта на помпа или естествена циркулация. След това загрятата течност влиза в склад, откъдето се консумира според нуждите. Това устройство напомня системите за битово горещо водоснабдяване.

Електричеството е най-удобният вид енергия за използване и пренос. Ето защо е разбираем интересът на изследователите към разработването и създаването на слънчеви електроцентрали, които използват междинното преобразуване на слънчевата енергия в топлина с последващото й преобразуване в електричество.

Сега в света най-разпространените слънчеви топлоелектрически централи са два вида: 1) тип кула с концентрация на слънчева енергия върху един слънчев приемник, извършена с помощта на голям брой плоски огледала; 2) диспергирани системи от параболоиди и параболични цилиндри, в центъра на които са разположени топлинни приемници и преобразуватели с ниска мощност.

2. РАЗВИТИЕ НА СЛЪНЧЕВАТА ЕНЕРГЕТИКА

В края на 70-те и началото на 80-те години в различни страни по света бяха построени седем пилотни слънчеви електроцентрали (SPP) от така наречения тип кула с ниво на мощност от 0,5 до 10 MW. Най-голямата слънчева електроцентрала с мощност 10 MW (Solar One) е построена в Калифорния. Всички тези слънчеви електроцентрали са изградени на един и същи принцип: поле от хелиостатни огледала, поставени на нивото на земята, които проследяват слънцето, отразяват слънчевите лъчи върху приемник, монтиран на върха на доста висока кула. По същество приемникът е слънчев котел, в който се генерира водна пара със средни параметри, която след това се изпраща към стандартна парна турбина.

Вторият проект, слънчевата електроцентрала PHOEBUS tower, се изпълнява от немски консорциум. Проектът включва създаването на демонстрационна хибридна (слънчево-гориво) слънчева електроцентрала с мощност 30 MW с обемен приемник, в който ще се нагрява атмосферен въздух, който след това се изпраща в парен котел, където се генерира водна пара, който работи в цикъла на Ранкин. По пътя на въздуха от ресивера до котела горелка трябва да изгаря природен газ, чието количество се регулира така, че да поддържа определената мощност през целия ден. Изчисленията показват, че например при годишна слънчева радиация от 6,5 GJ/m2 (подобна на тази, характерна за южните райони на Украйна), тази слънчева електроцентрала, която има обща хелиостатна повърхност от 160 хиляди m2, ще получи 290,2 GW *h/година слънчева енергия, а количеството енергия, внесено с гориво, ще бъде 176,0 GWh/година. В същото време слънчевата централа ще генерира 87,9 GWh електроенергия годишно при среден годишен КПД от 18,8%. При такива показатели може да се очаква себестойността на електроенергията, произведена в слънчева централа, да бъде на нивото на ТЕЦ, използващи изкопаеми горива.

От средата на 80-те години в Южна Калифорния компанията LUZ създаде и пусна в търговска експлоатация девет слънчеви електроцентрали с параболични цилиндрични концентратори (PCC) с единични мощности, които се увеличиха от първата слънчева електроцентрала до следващата от 13,8 до 80 MW. . Общият капацитет на тези слънчеви електроцентрали достига 350 MW. В тези SES са използвани PCC с апертура, която се увеличава по време на прехода от първите SES към следващите. Чрез проследяване на слънцето по една ос, концентраторите фокусират слънчевата радиация върху тръбни приемници, затворени в евакуирани тръби. Вътре в приемника тече охлаждаща течност с висока температура, която се нагрява до 380°C и след това пренася топлината на водната пара към парогенератора. Конструкцията на тези слънчеви електроцентрали предвижда и изгаряне на определено количество природен газ в парогенератор за производство на допълнителна пикова електроенергия, както и за компенсиране на намалената изолация.

Тези слънчеви електроцентрали са създадени и експлоатирани по времето, когато в Съединените щати имаше закони, които позволяваха на слънчевите електроцентрали да работят без рентабилност. Изтичането на тези закони в края на 80-те години доведе до факта, че компанията LUZ фалира и изграждането на нови слънчеви електроцентрали от този тип беше спряно.

KJC (Kramer Junction Company), която управлява пет от деветте построени слънчеви електроцентрали (от 3 до 7), си постави за задача да повиши ефективността на тези слънчеви електроцентрали, да намали разходите за тяхната експлоатация и да ги направи икономически привлекателни в новите условия. В момента тази програма се изпълнява успешно.

Швейцария се превърна в един от лидерите в използването на слънчева енергия. По данни от 1997 г. тук са изградени около 2600 слънчеви инсталации на базата на фотоелектрически преобразуватели с мощност от 1 до 1000 kW. Програмата, наречена „Solar-91“ и изпълнявана под мотото „За енергийно независима Швейцария“, има значителен принос за решаването на екологичните проблеми и енергийната независимост на една страна, която днес внася повече от 70% от своята енергия. Слънчева електроцентрала с мощност 2-3 kW най-често се монтира на покриви и фасади на сгради. Тази инсталация произвежда средно 2000 kWh електроенергия годишно, което е достатъчно за битовите нужди на средностатистически швейцарски дом. Големите фирми монтират слънчеви инсталации с мощност до 300 kW върху покривите на производствени сгради. Такава станция покрива нуждите на предприятието от електроенергия с 50-60%.

В алпийските планини, където е нерентабилно да се полагат електропроводи, също се изграждат мощни слънчеви електроцентрали. Експлоатационният опит показва, че Слънцето вече е в състояние да задоволи нуждите на всички жилищни сгради в страната. Слънчевите инсталации, разположени на покриви и стени на къщи, на шумоизолации на магистрали, на транспортни и промишлени съоръжения, не изискват скъпа земеделска територия за тяхното разполагане. Автономна соларна инсталация край село Гримсел осигурява ток за денонощно осветление на пътния тунел. Близо до град Шур слънчеви панели, монтирани на 700-метров участък от шумоизолация, осигуряват 100 kW електроенергия годишно.

Съвременната концепция за използване на слънчевата енергия е най-пълно изразена при изграждането на сградите на завода за прозорци в Арисдорф, където на слънчевите панели с обща мощност 50 kW при проектирането е отредена допълнителна роля като подови и фасадни елементи. Ефективността на слънчевите преобразуватели значително намалява при силно нагряване, така че под панелите се полагат вентилационни тръбопроводи за изпомпване на външен въздух. Като декоративна облицовка действат тъмносини фотопреобразуватели, искрящи на слънце на южната и западната фасада на административната сграда, захранващи мрежата с електричество.

В развиващите се страни сравнително малки инсталации се използват за захранване с електричество на отделни къщи, в отдалечени села за оборудване на културни центрове, където благодарение на PMT можете да използвате телевизори и т.н. В този случай цената на електроенергията не идва на преден план, но социалният ефект. Програмите за въвеждане на фотоволтаици в тези страни се подкрепят активно от международни организации, като Световната банка участва във финансирането им на базата на предложената от нея „Слънчева инициатива“. Например в Кения през последните 5 години 20 000 селски къщи са електрифицирани с помощта на фотоволтаици. Голяма програма за въвеждане на фотоумножители се реализира в Индия, където през 1986 - 1992г. 690 милиона рупии бяха изразходвани за инсталиране на PMT в селските райони.

В индустриализираните страни активното внедряване на фотоумножители се обяснява с няколко фактора. Първо, PMTs се считат за екологично чисти източници, които могат да намалят вредните въздействия върху околната среда. На второ място, използването на PMT в частни домове увеличава енергийната автономност и защитава собственика при възможни прекъсвания на централизираното захранване.

3. ФОТОВОЛТАИЧНО ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА СЛЪНЧЕВА ЕНЕРГИЯ

Важен принос за разбирането на механизма на действие на фотоелектричния ефект в полупроводниците е направен от основателя на Физико-техническия институт (PTI) на Руската академия на науките, академик A.F. Йофе. Той мечтаеше да използва полупроводникови фотоклетки в слънчевата енергия още през тридесетте години, когато B.T. Коломиец и Ю.П. Маслаковец създаде сярно-талиеви слънчеви клетки във Физикотехническия институт с рекордна за това време ефективност = 1%.

Широкото практическо използване на слънчеви панели за енергийни цели започва с изстрелването през 1958 г. на изкуствени спътници на Земята - съветския Спутник-3 и американския Авангард-1. Оттогава, повече от 35 години, полупроводниковите слънчеви батерии са основният и почти единственият източник на енергия за космически кораби и големи орбитални станции като Салют и Мир. Обширната основа, натрупана от учените в областта на слънчевите батерии за космически приложения, също направи възможно разработването на работа върху наземната фотоволтаична енергия.

Основата на фотоклетките е полупроводникова структура с p-n преход, който се появява на границата на два полупроводника с различни механизми на проводимост. Имайте предвид, че тази терминология произлиза от английските думи positive (положителен) и negative (отрицателен). Различни видове проводимост се получават чрез промяна на вида на примесите, въведени в полупроводника. Например атоми от група III на периодичната таблица D.I. Менделеев, въведен в кристалната решетка на силиций, дава на последната дупка (положителна) проводимост, а примесите от група V - електронна (отрицателна). Контактът на p или n полупроводници води до образуването на контактно електрическо поле между тях, което играе изключително важна роля в работата на слънчевата фотоклетка. Нека обясним причината за възникването на контактна потенциална разлика. Когато p- и n-тип полупроводници се комбинират в един единствен кристал, възниква дифузионен поток от електрони от n-тип полупроводник към p-тип полупроводник и, обратно, поток от дупки от p- към n-полупроводник. В резултат на този процес частта от p-тип полупроводник, съседна на p-n прехода, ще бъде заредена отрицателно, а частта от n-тип полупроводник, съседна на p-n прехода, напротив, ще придобие положителен заряд. Така в близост до p-n прехода се образува двойно зареден слой, който противодейства на процеса на дифузия на електрони и дупки. В действителност, дифузията има тенденция да създава поток от електрони от n-областта към p-областта, а полето на заредения слой, напротив, връща електрони в n-областта. По подобен начин полето в pn прехода противодейства на дифузията на дупки от p- към n-региона. В резултат на два процеса, действащи в противоположни посоки (дифузия и движение на токоносители в електрическо поле), се установява стационарно, равновесно състояние: на границата се появява зареден слой, който предотвратява проникването на електрони от n-полупроводника и дупки от p-полупроводника. С други думи, в областта на p-n прехода възниква енергийна (потенциална) бариера, за преодоляването на която електроните от n-полупроводника и дупките от p-полупроводника трябва да изразходват определена енергия. Без да спираме да описваме електрическите характеристики на pn прехода, който се използва широко в токоизправители, транзистори и други полупроводникови устройства, нека разгледаме работата на pn прехода във фотоклетките.

Когато светлината се абсорбира в полупроводник, двойките електрон-дупка се възбуждат. В хомогенен полупроводник фотовъзбуждането увеличава само енергията на електроните и дупките, без да ги разделя в пространството, т.е. електроните и дупките са разделени в „енергийното пространство“, но остават близо един до друг в геометричното пространство. За разделянето на токоносителите и появата на фотоелектродвижеща сила (фотоЕМП) трябва да съществува допълнителна сила. Най-ефективното разделяне на неравновесните носители става точно в областта на pn прехода. „Малцинствени“ носители, генерирани близо до p-n прехода (дупки в n-полупроводника и електрони в p-полупроводника), дифундират към p-n прехода, се улавят от полето на p-n прехода и се хвърлят в полупроводника, в който се превръщат основни носители: електроните ще бъдат локализирани в n-тип полупроводник, а дупките в p-тип полупроводник. В резултат на това полупроводникът от p-тип получава излишен положителен заряд, а полупроводникът от n-тип получава отрицателен заряд. Потенциална разлика - фотоЕМП - възниква между n- и p-области на фотоклетката. Полярността на фотоЕМП съответства на отклонението „напред“ на p-n прехода, което намалява височината на бариерата и насърчава инжектирането на дупки от p-областта към n-областта и електрони от n-областта към p-областта . В резултат на действието на тези два противоположни механизма - натрупването на носители на ток под въздействието на светлината и изтичането им поради намаляване на височината на потенциалната бариера - при различни интензитети на светлината се установяват различни стойности на фотоволтажа. В този случай стойността на фотоволтажа в широк диапазон на осветеност нараства пропорционално на логаритъма на интензитета на светлината. При много висок интензитет на светлината, когато потенциалната бариера се оказва практически нулева, стойността на фотоЕМП достига „насищане“ и става равна на височината на бариерата при неосветения p-n преход. При излагане на пряка, както и на слънчева радиация, концентрирана до 100-1000 пъти, стойността на фотоЕМП е 50-85% от контактната потенциална разлика на p-n прехода.

По този начин се разглежда процесът на възникване на фотонапрежение, което възниква в контактите на p- и n-области на p-n прехода. Когато осветен pn преход е съединен накъсо, в електрическата верига ще протича ток, който е пропорционален на интензитета на осветяване и броя на двойките електрон-дупка, генерирани от светлината. Когато полезен товар, като например калкулатор, захранван от слънчева батерия, е свързан към електрическата верига, токът във веригата леко ще намалее. Обикновено електрическото съпротивление на полезния товар във веригата на слънчевата клетка се избира така, че да се получи максималната електрическа мощност, доставена на този товар.

Слънчевата фотоклетка е направена от пластина, направена от полупроводников материал, като силиций. В плочата се създават области с p- и n-видове проводимост. Методите за създаване на тези области включват, например, метода на дифузия на примеси или метода за отглеждане на един полупроводник върху друг. След това се правят долния и горния електрически контакт, като долният контакт е плътен, а горният контакт е направен под формата на гребенна структура (тънки ивици, свързани с относително широка токоприемна шина).

Основният материал за производство на слънчеви клетки е силиций. Технологията за производство на полупроводников силиций и фотоклетки на негова основа се основава на методи, разработени в микроелектрониката - най-развитата индустриална технология. Силицият, очевидно, като цяло е един от най-изследваните материали в природата, а също и вторият най-разпространен след кислорода. Като се има предвид, че първите слънчеви клетки са направени от силиций преди около четиридесет години, естествено е този материал да играе първа цигулка в слънчевите фотоволтаични енергийни програми. Фотоклетките, изработени от монокристален силиций, съчетават предимствата на използването на сравнително евтин полупроводников материал с високите параметри на устройствата, получени от него.

Доскоро слънчевите клетки за наземна употреба, както и за космически приложения, се изработваха на базата на сравнително скъп монокристален силиций. Намаляването на цената на първоначалния силиций, разработването на високоефективни методи за производство на пластини от слитъци и усъвършенствани технологии за производство на слънчеви клетки позволиха няколко пъти да намалят цената на наземните слънчеви клетки, базирани на тях. Основните области на работа за по-нататъшно намаляване на разходите за слънчева електроенергия са: получаване на елементи на базата на евтин, включително лента, поликристален силиций; разработване на евтини тънкослойни елементи на базата на аморфен силиций и други полупроводникови материали; Преобразуване на концентрирана слънчева радиация с помощта на високоефективни елементи на базата на силиций и сравнително нов алуминиево-галиево-арсенов полупроводников материал.

Френелова леща е плоча от плексиглас с дебелина 1–3 mm, едната страна на която е плоска, а от другата има профил под формата на концентрични пръстени, повтарящи профила на изпъкнала леща. Френеловите лещи са значително по-евтини от конвенционалните изпъкнали лещи и осигуряват степен на концентрация от 2 - 3 хиляди „слънца“.

През последните години в света беше постигнат значителен напредък в разработването на силициеви соларни клетки, които работят при концентрирано слънчево лъчение. Силициеви елементи с ефективност >25% са създадени в условия на облъчване на земната повърхност при степен на концентрация 20 - 50 "слънца". Значително по-високи степени на концентрация позволяват фотоклетки на базата на полупроводниковия материал алуминий-галий-арсен, създаден за първи път във Физико-техническия институт. А.Ф. Йофе през 1969 г. В такива слънчеви клетки се постигат стойности на ефективност> 25% при нива на концентрация до 1000 пъти. Въпреки високата цена на такива елементи, техният принос в себестойността на генерираната електроенергия не се оказва определящ при високи степени на концентрация на слънчева радиация поради значителното (до 1000 пъти) намаляване на тяхната площ. Ситуацията, при която цената на фотоклетките няма значителен принос към общата цена на слънчева инсталация, прави оправдано усложняването и увеличаването на цената на фотоклетката, ако това гарантира повишаване на ефективността. Това обяснява сегашното внимание, което се обръща на разработването на каскадни слънчеви клетки, които могат да постигнат значително увеличение на ефективността. В каскадна слънчева клетка слънчевият спектър е разделен на две (или повече) части, например видима и инфрачервена, всяка от които се преобразува с помощта на фотоклетки, направени от различни материали. В този случай се намаляват енергийните загуби на квантите на слънчевата радиация. Например при двуелементни каскади теоретичната стойност на ефективността надвишава 40%.

Видове фотоелектрически преобразуватели

Най-енергийно ефективните устройства за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа (тъй като това е директен, едноетапен енергиен преход) са полупроводникови фотоволтаични преобразуватели (PVC). При равновесна температура, характерна за фотоволтаичните клетки от порядъка на 300-350 Келвина и слънчевата T ~ 6000 K, максималната им теоретична ефективност е >90%. Това означава, че в резултат на оптимизиране на структурата и параметрите на преобразувателя, насочени към намаляване на необратимите загуби на енергия, ще бъде напълно възможно да се повиши практическата ефективност до 50% или повече (в лабораториите вече е установена ефективност от 40%). е постигнато).

Теоретичните изследвания и практическите разработки в областта на фотоволтаичното преобразуване на слънчевата енергия потвърдиха възможността за постигане на такива високи стойности на ефективност със слънчеви клетки и идентифицираха основните начини за постигане на тази цел.

Преобразуването на енергия във фотоволтаичните клетки се основава на фотоволтаичния ефект, който възниква в нехомогенни полупроводникови структури, когато са изложени на слънчева радиация. Хетерогенността на PV структурата може да се получи чрез допиране на един и същ полупроводник с различни примеси (създаване на p - n преходи) или чрез свързване на различни полупроводници с неравномерни забранени зони - енергията на отстраняване на електрони от атома (създаване на хетеропреходи), или чрез промяна химичният състав на полупроводника, което води до появата на градиент на забранената зона (създаване на градуирани структури). Възможни са и различни комбинации от горните методи. Ефективността на преобразуване зависи от електрическите характеристики на нехомогенната полупроводникова структура, както и от оптичните свойства на слънчевата клетка, сред които най-важна роля играе фотопроводимостта, причинена от вътрешния фотоелектричен ефект в полупроводниците при облъчване със слънчева светлина. Принципът на работа на фотоволтаичните клетки може да бъде обяснен на примера на преобразуватели с p-n преходи, които се използват широко в съвременната слънчева и космическа енергия. Електронно-дупков преход се създава чрез легиране на пластина от монокристален полупроводников материал с определен тип проводимост (т.е. p- или n-тип) с примес, осигуряващ създаването на повърхностен слой с проводимост от противоположната Тип.

Концентрацията на добавка в този слой трябва да бъде значително по-висока от концентрацията на добавка в основния (оригинален монокристален) материал, за да се неутрализират присъстващите там основни свободни носители на заряд и да се създаде проводимост с противоположен знак. На границата на n- и p-слоевете в резултат на потока на заряда се образуват обеднени зони с некомпенсиран обемен положителен заряд в n-слоя и обемен отрицателен заряд в p-слоя. Тези зони заедно образуват p-n преход. Появяващата се при прехода потенциална бариера (контактна потенциална разлика) предотвратява преминаването на основните носители на заряд, т.е. електрони от страната на p-слоя, но свободно позволяват на малцинствените носители да преминават в противоположни посоки. Това свойство на p-n преходите определя възможността за получаване на фото-едс при облъчване на слънчева клетка със слънчева светлина. Неравновесните носители на заряд (двойки електрон-дупка), създадени от светлина в двата слоя на фотоволтаичната клетка, се разделят на p-n прехода: малцинствените носители (т.е. електроните) преминават свободно през прехода, а основните носители (дупките) се запазват. По този начин, под въздействието на слънчевата радиация, ток от неравновесни малцинствени носители на заряд - фотоелектрони и фотодупки - ще тече през p-n прехода в двете посоки, което е точно това, което е необходимо за работата на слънчевата клетка. Ако сега затворим външната верига, тогава електроните от n-слоя, след като са извършили работа върху товара, ще се върнат в p-слоя и там ще се рекомбинират (обединят) с дупки, движещи се вътре в слънчевата клетка в обратна посока. За събиране и отстраняване на електрони във външна верига има контактна система на повърхността на полупроводниковата структура на слънчевата клетка. На предната, светеща повърхност на преобразувателя, контактите са изпълнени под формата на решетка или гребен, а на задната страна могат да бъдат плътни.

Основните необратими загуби на енергия в слънчевите клетки са свързани с:

• отразяване на слънчевата радиация от повърхността на преобразувателя,
• преминаването на част от радиацията през фотоволтаичната клетка без абсорбция в нея,
• разсейване на излишната фотонна енергия върху термичните вибрации на решетката,
• рекомбинация на образуваните фотодвойки по повърхностите и в обема на фотоволтаичната клетка,
• вътрешно съпротивление на преобразувателя,
• и някои други физически процеси.

За намаляване на всички видове енергийни загуби в слънчевите централи се разработват и успешно прилагат различни мерки. Те включват:

• използването на полупроводници с оптимални забранени зони за слънчева радиация;
• целенасочено подобряване на свойствата на полупроводниковата структура чрез нейното оптимално легиране и създаване на вградени електрически полета;
• преход от хомогенни към хетерогенни и градиентни полупроводникови структури;
• оптимизиране на проектните параметри на PV (дълбочина на pn-прехода, дебелина на основния слой, честота на контактната мрежа и др.);
• използването на многофункционални оптични покрития, които осигуряват антирефлекс, термична регулация и защита на слънчевите клетки от космическа радиация;
• разработване на слънчеви клетки, които са прозрачни в дълговълновата област на слънчевия спектър отвъд границата на основната лента на поглъщане;
• създаване на каскадни фотоволтаични клетки от полупроводници, специално подбрани за ширината на забранената им лента, позволяващи преобразуване във всяка каскада на радиацията, преминала през предходната каскада и т.н.;

Освен това беше постигнато значително увеличение на ефективността на слънчевите клетки чрез създаването на преобразуватели с двустранна чувствителност (до +80% от съществуващата ефективност на едната страна), използването на луминисцентни повторно излъчващи структури и предварителните разлагане на слънчевия спектър на две или повече спектрални области с помощта на многослойни филмови разделители на лъчи (дихроични огледала). ) с последваща трансформация на всяка част от спектъра от отделна фотоволтаична клетка и др.

В системите за преобразуване на енергия на слънчеви електроцентрали (слънчеви електроцентрали) по принцип могат да се използват всякакви видове слънчеви клетки с различни структури, базирани на различни полупроводникови материали, които са създадени и в момента се разработват, но не всички от тях отговарят на набор от изисквания за тези системи:

• висока надеждност с дълъг (десетки години!) експлоатационен живот;
• наличие на изходни материали в количества, достатъчни за производството на елементи на системата за преобразуване и възможност за организиране на тяхното масово производство;
• разходи за енергия за създаване на система за преобразуване, които са приемливи по отношение на периодите на изплащане;
• минимални разходи за енергия и маса, свързани с управлението на системата за преобразуване и пренос на енергия (пространството), включително ориентацията и стабилизирането на станцията като цяло;
• лекота на поддръжка.

Например, някои обещаващи материали е трудно да се получат в количествата, необходими за създаването на слънчеви електроцентрали, поради ограничените природни запаси от суровини и сложността на тяхната обработка. Някои методи за подобряване на енергийните и експлоатационните характеристики на слънчевите клетки, например чрез създаване на сложни структури, са слабо съвместими с възможностите за организиране на тяхното масово производство на ниска цена и др. Високата производителност може да бъде постигната само чрез организиране на напълно автоматизирано фотоволтаично производство, например на базата на лентова технология, и създаване на развита мрежа от специализирани предприятия с подходящ профил, т.е. всъщност цяла индустрия, сравнима по мащаб със съвременната радиоелектронна индустрия. Производството на слънчеви клетки и сглобяването на слънчеви панели на автоматизирани линии ще намали цената на батерийния модул 2-2,5 пъти.

Силициевият и галиевият арсенид (GaAs) в момента се считат за най-вероятните материали за фотоволтаични системи за преобразуване на слънчевата енергия в SES, като във втория случай говорим за хетерофотоконвертори (HPC) със структура AlGaAs-GaAs.

FEC (фотоволтаични преобразуватели), базирани на съединение на арсен с галий (GaAs), както е известно, имат по-висока теоретична ефективност от силициевите FEC, тъй като тяхната ширина на забранената лента практически съвпада с оптималната ширина на забранената лента за полупроводникови преобразуватели на слънчева енергия = 1,4 eV. За силиций този показател = 1,1 eV.

Поради по-високото ниво на поглъщане на слънчевата радиация, определено от директните оптични преходи в GaAs, на тяхна основа могат да се получат високоефективни фотоволтаични клетки със значително по-малка дебелина на фотоволтаичните клетки в сравнение със силициевите. По принцип е достатъчно GFP да има дебелина от 5-6 микрона, за да се получи ефективност от порядъка на най-малко 20%, докато дебелината на силициевите елементи не може да бъде по-малка от 50-100 микрона без забележимо намаляване на ефективността им . Това обстоятелство ни позволява да разчитаме на създаването на леки филмови HFP, чието производство ще изисква сравнително малко изходен материал, особено ако е възможно да се използва не GaAs като субстрат, а друг материал, например синтетичен сапфир (Al2O3 ).

GFC също така имат по-благоприятни експлоатационни характеристики по отношение на изискванията за SES преобразуватели в сравнение със силиконовите фотоволтаични клетки. По този начин, по-специално, възможността за постигане на малки начални стойности на токовете на обратно насищане в p-n преходите, дължащи се на голямата забранена лента, позволява да се сведе до минимум величината на отрицателните температурни градиенти на ефективност и оптимална мощност на HFP и, в допълнение , значително разширяват областта на линейната зависимост на последния от плътността на светлинния поток. Експерименталните зависимости на ефективността на HFP от температурата показват, че повишаването на равновесната температура на последните до 150-180 ° C не води до значително намаляване на тяхната ефективност и оптимална специфична мощност. В същото време за силициевите слънчеви клетки повишаването на температурата над 60-70°C е почти критично - ефективността пада наполовина.

Поради своята устойчивост на високи температури слънчевите клетки с галиев арсенид могат да се използват като концентратори на слънчева радиация. Работната температура на базирания на GaAs HFP достига 180 °C, което вече е доста работна температура за топлинни двигатели и парни турбини. По този начин към 30% присъща ефективност на галиев арсенид HFP (при 150°C) можем да добавим ефективността на топлинен двигател, използващ отпадъчната топлина на течността, охлаждаща фотоклетките. Следователно общата ефективност на инсталацията, която използва и третия цикъл на нискотемпературно извличане на топлина от охлаждащата течност след турбината за отопление на помещения, може да бъде дори по-висока от 50-60%.

Също така, базираните на GaAs HFC са много по-малко податливи на разрушаване от високоенергийни протонни и електронни потоци, отколкото силициевите FEC поради високото ниво на абсорбция на светлина в GaAs, както и малкия необходим живот и дължина на дифузия на малцинствените носители. Освен това експериментите показват, че значителна част от радиационните дефекти в HFP на основата на GaAs изчезват след термичната им обработка (отгряване) при температура от едва около 150-180 °C. Ако GaAs HFC постоянно работят при температура от порядъка на 150 ° C, тогава степента на радиационно влошаване на тяхната ефективност ще бъде относително малка през целия период на активна работа на станциите (това е особено вярно за космическите слънчеви електроцентрали, за които са важни ниското тегло и размер на FEC и високата ефективност) .

Като цяло можем да заключим, че енергийните, масовите и експлоатационните характеристики на базираните на GaAs HFC са по-съвместими с изискванията на SES и SCES (космос), отколкото характеристиките на силициевите FEC. Силицият обаче е много по-достъпен и широко използван материал от галиевия арсенид. Силицият е широко разпространен в природата и предлагането на суровини за създаване на слънчеви клетки на негова основа е почти неограничено. Технологията за производство на силициеви соларни клетки е утвърдена и непрекъснато се усъвършенства. Съществува реална перспектива за намаляване на цената на силициевите слънчеви клетки с един до два порядъка с въвеждането на нови автоматизирани производствени методи, които правят възможно по-специално производството на силициеви ленти, слънчеви клетки с голяма площ и др.

Цените на силициевите фотоволтаични батерии са намалели за 25 години с 20-30 пъти от 70-100 долара/ват през 70-те години до 3,5 долара/ват през 2000 г. и продължават да намаляват. На Запад се очаква революция в енергийния сектор, когато цените преминат границата от 3 долара. Според някои изчисления това може да се случи още през 2002 г., а за Русия при сегашните енергийни тарифи този момент ще дойде при цена на 1 ват слънчева енергия от 0,3-0,5 долара, тоест с порядък по-ниска цена. Всички фактори, взети заедно, играят роля тук: тарифи, климат, географски ширини и способността на държавата да определя реални цени и да прави дългосрочни инвестиции. В действителните структури с хетеропреходи ефективността днес достига повече от 30%, а в хомогенните полупроводници като монокристален силиций - до 18%. Средната ефективност на слънчевите клетки на базата на монокристален силиций днес е около 12%, въпреки че достига 18%. Това са предимно силициеви SB, които могат да се видят днес на покривите на къщи по целия свят.

За разлика от силиция, галият е много оскъден материал, което ограничава възможността за производство на базирани на GaAs HFP в количествата, необходими за широко разпространение.

Галият се добива основно от боксит, но се разглежда възможността за получаването му и от въглищна пепел и морска вода. Най-големите запаси от галий се намират в морската вода, но концентрацията там е много ниска, добивът на възстановяване се оценява само на 1% и следователно производствените разходи вероятно ще бъдат непосилни. Технологията за производство на HFP на основата на GaAs с помощта на методи за течна и газова епитаксия (ориентирано израстване на един монокристал върху повърхността на друг (върху субстрат)) все още не е развита в същата степен като технологията за производство на силициев PVS и в резултат на това цената на HFP сега е значително по-висока (с поръчки) от цената на силициевите слънчеви клетки.

В космическите кораби, където основният източник на ток са слънчевите панели и където ясните съотношения на маса, размер и ефективност са много важни, основният материал за слънцето. Батерията, разбира се, е галиев арсенид. Способността на това съединение в слънчевите клетки да не губи ефективност при нагряване от 3-5 пъти концентрирана слънчева радиация е много важна за космическите слънчеви електроцентрали, което съответно намалява нуждата от дефицитен галий. Допълнителен резерв за спестяване на галий е свързан с използването на синтетичен сапфир (Al2O3) вместо GaAs като HFP субстрат.

Цената на HFP по време на масовото им производство въз основа на подобрена технология вероятно също ще бъде значително намалена и като цяло цената на системата за преобразуване на система за преобразуване на енергия SES, базирана на GaAs HFP, може да бъде доста сравнима с цената на силициево- базирана система. По този начин в момента е трудно да се даде ясно предимство на един от двата разглеждани полупроводникови материала - силиций или галиев арсенид и само по-нататъшното развитие на технологията на тяхното производство ще покаже кой вариант ще бъде по-рационален за наземни и космически базирана на слънчева енергия. Доколкото SB произвеждат постоянен ток, възниква задачата той да се трансформира в индустриален променлив ток 50 Hz, 220 V. Специален клас устройства - инвертори - се справят перфектно с тази задача.

Изчисляване на фотоволтаична система.

Енергията на слънчевите клетки може да се използва по същия начин, както енергията на други източници на енергия, с тази разлика, че слънчевите клетки не се страхуват от късо съединение. Всеки от тях е проектиран да поддържа определено количество ток при дадено напрежение. Но за разлика от други източници на ток, характеристиките на слънчевата клетка зависят от количеството светлина, падащо върху нейната повърхност. Например, входящ облак може да намали изходната мощност с повече от 50%. В допълнение, отклоненията в технологичните условия водят до разсейване на изходните параметри на елементи от една партида. Следователно желанието да се осигури максимална ефективност от фотоволтаичните преобразуватели води до необходимостта от сортиране на клетките по изходен ток. Като ясен пример за „гадна овца, която разваля цялото стадо“, може да се посочи следното: вкарайте част от тръба с много по-малък диаметър в пробив на водопровод с голям диаметър; в резултат на това водният поток ще рязко намаляват. Нещо подобно се случва във верига от слънчеви клетки с разнородни изходни параметри.

Силиконовите слънчеви клетки са нелинейни устройства и тяхното поведение не може да се опише с проста формула като закона на Ом. Вместо това, за да обясните характеристиките на даден елемент, можете да използвате семейство от лесни за разбиране криви - характеристики ток-напрежение (CVC)

Напрежението на отворена верига, генерирано от един елемент, варира леко от един елемент до друг в същата партида и от един производител до друг и е около 0,6 V. Тази стойност не зависи от размера на елемента. При тока ситуацията е различна. Зависи от интензивността на светлината и размера на елемента, който се отнася до неговата повърхност.

Елемент с размери 100-100 mm е 100 пъти по-голям от елемент с размери 10-10 mm и следователно при същата осветеност той ще произведе ток 100 пъти по-голям.

Като заредите елемента, можете да начертаете зависимостта на изходната мощност от напрежението, като получите нещо подобно на показаното на фиг. 2

Пиковата мощност съответства на напрежение от около 0,47 V. По този начин, за да се оцени правилно качеството на слънчевата клетка, както и за да се сравнят елементите помежду си при едни и същи условия, е необходимо да се натовари така че изходното напрежение е равно на 0,47 V. След като соларните елементи са избрани за работа, те трябва да бъдат запоени. Серийните елементи са оборудвани с токоприемни решетки, които са предназначени за запояване на проводници към тях.

Батериите могат да бъдат подредени във всяка желана комбинация. Най-простата батерия е верига от елементи, свързани последователно. Можете също да свържете вериги паралелно, което води до така наречената последователно-паралелна връзка.

Важен момент в работата на слънчевите клетки е техният температурен режим. Когато елементът се нагрее с един градус над 25°C, той губи 0,002 V напрежение, т.е. 0,4%/градус. Фигура 3 показва група от характеристични криви ток-напрежение за температури от 25°C и 60°C.

В ярък слънчев ден елементите се нагряват до 60-70°C, губейки 0,07-0,09 V всеки. Това е основната причина за намаляване на ефективността на слънчевите клетки, което води до спад на напрежението, генерирано от елемента. Ефективността на конвенционалната слънчева клетка в момента варира от 10-16%. Това означава, че елемент с размери 100-100 мм при стандартни условия може да генерира 1-1,6 W.

Всички фотоволтаични системи могат да бъдат разделени на два вида: автономни и свързани към електрическата мрежа. Станциите от втория тип освобождават излишната енергия в мрежата, която служи като резерв в случай на вътрешен енергиен недостиг.

Автономната система обикновено се състои от набор от соларни модули, поставени върху носеща конструкция или на покрива, батерия, контролер за зареждане/разреждане на батерията и свързващи кабели. Соларните модули са основният компонент за изграждане на фотоволтаични системи. Те могат да бъдат произведени с всякакво изходно напрежение.

След като са избрани слънчевите клетки, те трябва да бъдат запоени. Серийните елементи са оборудвани с токоприемни решетки за запояване на проводници към тях. Батериите могат да бъдат направени във всяка комбинация.

Най-простата батерия е верига от елементи, свързани последователно.

Можете да свържете тези вериги паралелно, като получите така наречената последователно-паралелна връзка. Паралелно могат да се свързват само вериги (линии) с еднакво напрежение, а токовете им се сумират съгласно закона на Кирхоф.

За наземна употреба те обикновено се използват за зареждане на батерии с номинално напрежение от 12 V. В този случай, като правило, 36 слънчеви клетки са свързани последователно и са запечатани чрез ламиниране върху стъкло, PCB или алуминий. Елементите са разположени между два слоя уплътнително фолио, без въздушна междина. Технологията за вакуумно ламиниране ви позволява да изпълните това изискване. В случай на въздушна междина между защитното стъкло и елемента, загубите при отражение и абсорбция биха достигнали 20-30% в сравнение с 12% без въздушна междина.

Представени са електрическите параметри на соларна клетка, както и на отделна слънчева клетка под формата на крива ток-напрежение при стандартни условия (Стандартни условия на изпитване), т.е. при слънчева радиация от 1000 W/m2, температура - 25 ° C и слънчев спектър на ширина 45 ° (AM1.5) .

Точката на пресичане на кривата с оста на напрежението се нарича напрежение на празен ход - Uxx, точката на пресичане с оста на тока се нарича ток на късо съединение Is.

Максималната мощност на модула се определя като най-високата мощност съгласно STC (Стандартни тестови условия). Напрежението, съответстващо на максималната мощност, се нарича напрежение на максимална мощност (работно напрежение - Up), а съответният ток се нарича ток на максимална мощност (работен ток - Ip).

Работното напрежение за модул, състоящ се от 36 елемента, ще бъде около 16...17 V (0,45...0,47 V на елемент) при 25o C.

Този запас на напрежение в сравнение с напрежението на пълно зареждане на батерията (14,4 V) е необходим, за да се компенсират загубите в контролера за зареждане-разреждане на батерията (което ще бъде обсъдено по-късно) и главно - намаляване на работното напрежение на модул, когато модулът се нагрява от радиация: Температурният коефициент за силиций е около минус 0,4%/градус (0,002 V/градус за един елемент).

Трябва да се отбележи, че напрежението на отворена верига на модула зависи малко от осветеността, докато токът на късо съединение и съответно работният ток са право пропорционални на осветеността.

Така при нагряване в реални работни условия модулите се загряват до температура 60-70°C, което съответства на изместване на точката на работното напрежение, например за модул с работно напрежение 17 V - от 17 V. V до 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V на елемент).

Въз основа на всичко по-горе е необходимо да се подходи към изчисляването на броя на последователно свързаните елементи на модула , Ако потребителят трябва да има променливо напрежение, тогава към това се добавя инвертор-преобразувател на постоянно напрежение към променливо напрежение комплект.

Изчисляването на FES означава определяне на номиналната мощност на модулите, техния брой, схема на свързване; избор на тип, условия на работа и капацитет на батерията; мощност на инвертора и контролера за зареждане и разреждане; определяне на параметрите на свързващия кабел.

На първо място е необходимо да се определи общата мощност на всички потребители, свързани едновременно. Мощността на всеки от тях се измерва във ватове и е посочена в спецификациите на продукта. На този етап вече можете да изберете мощността на инвертора, която трябва да бъде не по-малко от 1,25 пъти по-голяма от изчислената. Трябва да се има предвид, че такова хитро устройство като компресорен хладилник в момента на стартиране консумира мощност 7 пъти повече от номиналната мощност.

Номиналният диапазон на инверторите е 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. За мощни станции (повече от 1 kW) напрежението на станцията е избрано най-малко 48 V, защото При по-високи мощности инверторите работят по-добре с по-високи начални напрежения.

Следващият етап е определяне на капацитета на батерията. Капацитетът на батерията се избира от стандартен диапазон от капацитети, закръглен към страната, по-голяма от изчислената. А изчисленият капацитет се получава чрез просто разделяне на общата мощност на потребителите на произведението на напрежението на батерията и дълбочината на разреждане на батерията на части.

Например, ако общата мощност на потребителите е 1000 Wh на ден, а допустимата дълбочина на разреждане на 12 V батерия е 50%, тогава изчисленият капацитет ще бъде:

1000 / (12 x 0,5) = 167 Ah

При изчисляване на капацитета на батерията в напълно автономен режим е необходимо да се вземе предвид наличието на облачни дни в природата, през които батерията трябва да осигури работата на потребителите.

Последният етап е определяне на общата мощност и броя на соларните модули. Изчислението ще изисква стойността на слънчевата радиация, която се взема през периода на работа на станцията, когато слънчевата радиация е минимална. При целогодишно ползване това е декември.

Разделът „Метеорология“ предоставя месечни и общи годишни стойности на слънчевата радиация за основните региони на Русия, както и градация според различните ориентации на равнината на приемане на светлина.

Като вземем от там стойността на слънчевата радиация за интересуващия ни период и я разделим на 1000, получаваме така наречения брой пикочасове, т.е. условното време, през което слънцето грее с интензивност 1000 W/ м2.

Например за географската ширина на Москва и месец юли стойността на слънчевата радиация е 167 kWh/m2, когато обектът е ориентиран на юг под ъгъл 40° спрямо хоризонта. Това означава, че средно през юли слънцето грее 167 часа (5,5 часа на ден) с интензитет 1000 W/m2, въпреки че максималната осветеност по обяд на площ, ориентирана перпендикулярно на светлинния поток, не надвишава 700-750 W /m2.

Модулът с мощност Pw през избрания период ще генерира следното количество енергия: W = k Pw E / 1000, където E е стойността на слънчевата светлина за избрания период, k-коефициент равен на 0,5 през лятото и 0,7 през зимата.

Този коефициент коригира загубата на мощност на слънчевите клетки при нагряване на слънце и също така отчита наклоненото падане на лъчите върху повърхността на модулите през деня.

Разликата в стойността му през зимата и лятото се дължи на по-слабото нагряване на елементите през зимата.

Въз основа на общата мощност на консумираната енергия и горната формула е лесно да се изчисли общата мощност на модулите. И като го знаем, просто го разделим на степента на един модул, получаваме броя на модулите.

При създаването на слънчева електроцентрала е силно препоръчително да се намали максимално мощността на потребителите. Например, използвайте (ако е възможно) само флуоресцентни лампи като осветители. Такива лампи с 5 пъти по-малка консумация осигуряват светлинен поток, еквивалентен на светлинния поток на лампа с нажежаема жичка.

За малки фотоволтаични системи е препоръчително модулите да се монтират върху въртяща се скоба за оптимално въртене спрямо падащите лъчи. Това ще увеличи капацитета на станцията с 20-30%.

Малко за инверторите.

Инверторите или преобразувателите на постоянен ток към променлив ток са предназначени да осигурят висококачествено захранване на различни съоръжения и устройства в условия на липса или лошо качество на захранваща мрежа с променлив ток с честота 50 Hz и напрежение 220 V, различни извънредни ситуации и др.

Инверторът е импулсен преобразувател на постоянен ток с напрежение 12 (24, 48, 60) V в променлив ток със стабилизирано напрежение 220 V с честота 50 Hz. Повечето инвертори имат СТАБИЛИЗИРАНО СИНУСОИДАЛНО напрежение на изхода, което позволява да се използват за захранване на почти всякакви съоръжения и устройства.

Структурно инверторът е направен под формата на настолен модул. На предния панел на инвертора има превключвател за работа на продукта и индикатор за работа на преобразувателя. На задния панел на продукта има щифтове (клеми) за свързване на източник на постоянен ток, например батерия, заземителен щифт за корпуса на инвертора, отвор с монтаж на вентилатор (охлаждане) и триполюсен евро контакт за свързване на товара.

Стабилизираното напрежение на изхода на инвертора ви позволява да осигурите висококачествено захранване на товара, когато входното напрежение се променя / колебае, например, когато батерията е разредена, или колебания в тока, консумиран от товара. Гарантираната галванична изолация на източника на постоянен ток на входа и веригата на променлив ток с товара на изхода на инвертора ви позволява да не предприемате допълнителни мерки за осигуряване на безопасност при работа при използване на различни източници на постоянен ток или каквото и да е електрическо оборудване. Принудителното охлаждане на силовата част и ниското ниво на шум при работа на инвертора позволяват, от една страна, да осигурят добри тегловни и габаритни характеристики на продукта, от друга страна, с този тип охлаждане не създават неудобства по време на работа под формата на шум.

• Вграден контролен панел с електронен дисплей
• Капацитетен потенциометър, който позволява прецизни настройки
• Нормализирана лента с щифтово свързване: WE WY STEROW
• Вградено спиране на заден ход
• Радиатор с вентилатор
• Естетично закопчаване
• Захранване 230 V - 400 V
• Претоварване 150% - 60s
• Време за засилване 0,01...1000 секунди
• Вграден електрически филтър клас А
• Работна температура: -5°C - до +45°C
• RS 485 порт
• Честотна стъпка: 0.01 Hz - 1 kHz
• Клас на защита IP 20

Функционално осигурява: увеличаване, намаляване на честотата, контрол на претоварване, прегряване.

Ефективното преобразуване на свободните слънчеви лъчи в енергия, която може да се използва за захранване на домове и други съоръжения, е съкровената мечта на много апологети на зелената енергия.

Но принципът на работа на слънчевата батерия и нейната ефективност са такива, че все още не е необходимо да се говори за висока ефективност на такива системи. Би било хубаво да имате собствен допълнителен източник на електроенергия. Не е ли? Освен това дори днес в Русия, с помощта на слънчеви панели, значителен брой частни домакинства успешно се снабдяват с „безплатно“ електричество. Все още не знаете откъде да започнете?

По-долу ще ви разкажем за дизайна и принципите на работа на слънчевия панел; ще научите от какво зависи ефективността на слънчевата система. А видеоклиповете, публикувани в статията, ще ви помогнат да сглобите слънчев панел от фотоклетки със собствените си ръце.

Има доста нюанси и объркване в темата „слънчева енергия“. Често за начинаещите в началото е трудно да разберат всички непознати термини. Но без това е неразумно да се занимавате със слънчева енергия, закупувайки оборудване за генериране на „слънчев“ ток.

Несъзнателно можете не само да изберете грешен панел, но и просто да го изгорите, когато го свържете или да извлечете твърде малко енергия от него.

Галерия с изображения

Максималната възвръщаемост от слънчевия панел може да се получи само като се знае как работи, от какви компоненти и възли се състои и как е свързан правилно

Вторият нюанс е концепцията за термина „слънчева батерия“. Обикновено думата „батерия“ се отнася до някакъв вид устройство за съхранение на електричество. Или банален отоплителен радиатор идва на ум. При слънчевите батерии обаче ситуацията е коренно различна. Те не трупат нищо в себе си.

Фиг.9. Слънчева клетка като пример за фотоволтаично преобразуване

Фотопроводими преобразуватели

Тези преобразуватели преобразуват промяната в измерената величина в промяна в съпротивлението на използвания материал (фиг. 8). Въпреки че използваните материали са полупроводници, фотопроводимите преобразуватели не винаги са полупроводници, тъй като нямат преходи между различни видове полупроводници. Такива преобразуватели се наричат ​​пасивни, т.е. нужда от външно захранване. Често името им характеризира вида на използваното преобразуване, например фоточувствителни резистори.

Съпротивлението на материала е функция на плътността на основните носители на заряд и тъй като плътността се увеличава с увеличаване на интензитета на излъчване, проводимостта се увеличава. Тъй като проводимостта е обратно пропорционална на съпротивлението, може да се заключи, че съпротивлението е обратна функция на интензитета на облъчване. Стойността на съпротивлението при пълно облъчване обикновено е 100-200 ома, а в пълна тъмнина това съпротивление е равно на мегаома. Материалите, които най-често се използват при проектирането на светлозависими резистори, са кадмиев сулфид или кадмиев селенид.

Слънчеви клетки

Слънчевите клетки са фотоволтаични преобразуватели, които преобразуват излъчваната електромагнитна енергия в електрическа енергия, т.е. промяната на измерената стойност на излъчване се преобразува в промяна на изходното напрежение (фиг. 9).

Конструкцията на преобразувателя включва слой от фоточувствителен материал с високо съпротивление, поставен между два проводими електрода. Един от електродите е направен от прозрачен материал, през който лъчението преминава и удря фоточувствителния материал. Когато е напълно осветен, един елемент произвежда изходно напрежение между електродите от около 0,5 V.

По правило като фотоелектричен слой се използват полупроводникови вентилни фотоклетки (фотоклетки с блокиращ слой) (фиг. 9). Виж: Конструкции на вентилни фотоклетки

Един от най-важните параметри на фотоклетката, която се използва като източник на електрическа енергия, е коефициентът на полезно действие (КПД). Ефективността на слънчевата клетка е съотношението на максималната мощност на електрическия ток, който може да бъде получен от фотоклетката, към мощността на светлинното лъчение, падащо върху фотоклетката. Колкото по-голяма е ефективността, толкова по-голяма част от светлинния спектър участва в генерирането на токови носители. Един от начините за повишаване на ефективността на слънчевите клетки е създаването на фотоклетки с възможно най-широки спектрални характеристики. Фотоклетките, изработени от силиций, имат ефективност до 12%. Фотоклетките, базирани на съединения на галиев арсенид, имат ефективност до 20%.