Fotoelektryczna metoda przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną opiera się na zjawisku efektu fotoelektrycznego - uwalnianiu elektronów przewodzących w odbiorniku promieniowania pod wpływem kwantów promieniowania słonecznego.

Efekt ten stosowany jest w materiałach półprzewodnikowych, w których energia kwantów promieniowania hn tworzy np P–N- przejście fotoprądowe

Jeśli=eN e,

Gdzie Nie– liczba elektronów tworząca różnicę potencjałów na złączu, w wyniku której prąd upływowy będzie płynął na złączu w przeciwnym kierunku I równy fotoprądowi, który jest stały.

Straty energii podczas konwersji fotoelektrycznej wynikają z niepełnego wykorzystania fotonów, a także rozproszenia, oporu i rekombinacji już wygenerowanych elektronów przewodzących.

Najpopularniejszymi przemysłowo produkowanymi ogniwami słonecznymi (fotokomórkami) są ogniwa krzemowe w kształcie płytki. Istnieją również inne typy i projekty opracowywane w celu poprawy wydajności i obniżenia kosztów ogniw słonecznych.

Grubość ogniwa słonecznego zależy od jego zdolności do pochłaniania promieniowania słonecznego. Materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem, arsenek galu itp., są stosowane, ponieważ zaczynają pochłaniać promieniowanie słoneczne o wystarczająco dużej długości fali i mogą przekształcić znaczną jego część w energię elektryczną. Absorpcja promieniowania słonecznego przez różne materiały półprzewodnikowe osiąga największą wartość, gdy grubość płytek wynosi od 100 do 1 mikrona lub mniej.

Zmniejszenie grubości ogniw słonecznych może znacznie zmniejszyć zużycie materiałów i koszty ich produkcji.

Różnice w zdolności absorpcyjnej materiałów półprzewodnikowych można wytłumaczyć różnicami w ich budowie atomowej.

Sprawność przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną nie jest wysoka. Dla elementów krzemowych nie więcej niż 12...14%.

Aby zwiększyć wydajność ogniw słonecznych, na przedniej stronie ogniwa słonecznego zastosowano powłoki antyrefleksyjne. W rezultacie zwiększa się udział przepuszczanego promieniowania słonecznego. Dla elementów bez powłoki straty odbiciowe sięgają 30%.

Ostatnio do produkcji ogniw słonecznych zastosowano wiele nowych materiałów. Jednym z nich jest krzem amorficzny, który w odróżnieniu od krzemu krystalicznego nie posiada regularnej struktury. W przypadku struktury amorficznej prawdopodobieństwo absorpcji fotonów i przejścia do pasma przewodnictwa jest większe. Dlatego ma większą zdolność wchłaniania. Stosuje się również arsenek galu (GaAs). Teoretyczna wydajność elementów na bazie GaAs może sięgać 25%, rzeczywiste elementy mają wydajność około 16%.

Trwają prace nad technologią cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Pomimo tego, że wydajność tych pierwiastków w warunkach laboratoryjnych nie przekracza 16%, mają one niższy koszt. Jest to szczególnie cenne ze względu na redukcję kosztów i zużycia materiałów w produkcji masowej. W USA i Japonii elementy cienkowarstwowe produkowane są na krzemie amorficznym o powierzchni 0,1…0,4 m 2 z wydajnością 8…9%. Najpopularniejszym cienkowarstwowym ogniwem słonecznym są ogniwa z siarczku kadmu (CdS) o wydajności 10%.

Kolejnym postępem w technologii cienkowarstwowych ogniw słonecznych jest produkcja ogniw wielowarstwowych. Pozwalają pokryć większość spektrum promieniowania słonecznego.

Aktywny materiał ogniwa słonecznego jest dość drogi. W celu bardziej efektywnego wykorzystania promieniowanie słoneczne jest gromadzone na powierzchni ogniwa słonecznego za pomocą układów koncentrujących (ryc. 2.7).

Wraz ze wzrostem strumienia promieniowania właściwości elementu nie ulegają pogorszeniu, jeśli jego temperatura jest utrzymywana na poziomie temperatury powietrza otoczenia przy zastosowaniu chłodzenia aktywnego lub pasywnego.

Istnieje duża liczba układów skupiających opartych na soczewkach (zwykle płaskich soczewkach Fresnela), zwierciadłach, pryzmatach całkowitego wewnętrznego odbicia itp. Jeśli nastąpi bardzo nierównomierne napromieniowanie ogniw lub modułów słonecznych, może to prowadzić do zniszczenia ogniwa słonecznego.

Zastosowanie układów koncentrujących pozwala obniżyć koszty elektrowni słonecznych, ponieważ elementy koncentrujące są tańsze niż ogniwa słoneczne.

Wraz ze spadkiem cen ogniw słonecznych możliwa stała się budowa dużych instalacji fotowoltaicznych. Do 1984 roku w USA, Włoszech, Japonii, Arabii Saudyjskiej i Niemczech zbudowano 14 stosunkowo dużych elektrowni słonecznych o mocy od 200 kW do 7 MW.

Instalacja fotowoltaiczna ma wiele zalet. Wykorzystuje czyste i niewyczerpane źródło energii, nie posiada ruchomych części i dlatego nie wymaga stałego nadzoru personelu konserwacyjnego. Ogniwa słoneczne mogą być produkowane w ilościach masowych, co obniży ich koszt.

Baterie słoneczne są montowane z modułów słonecznych. Jednocześnie istnieje duży wybór typów i rozmiarów tych urządzeń przy tej samej sprawności konwersji energii i tej samej technologii produkcji.

Ponieważ dostawy energii słonecznej mają charakter okresowy, najbardziej racjonalne jest włączenie systemów fotowoltaicznych do elektrowni hybrydowych, które wykorzystują zarówno energię słoneczną, jak i gaz ziemny. Na stacjach tych można zastosować nową generację turbin gazowych. Hybrydowe elektrownie małej mocy składające się z paneli fotowoltaicznych i generatorów diesla są już niezawodnymi dostawcami energii.

Koniec pracy -

Ten temat należy do działu:

Katedra Energetyki Cieplnej Przemysłowej.. notatki z wykładów z kursu Nivie Gribanov A.. tekst został wydrukowany..

Jeśli potrzebujesz dodatkowych materiałów na ten temat lub nie znalazłeś tego czego szukałeś, polecamy skorzystać z wyszukiwarki w naszej bazie dzieł:

Co zrobimy z otrzymanym materiałem:

Jeśli ten materiał był dla Ciebie przydatny, możesz zapisać go na swojej stronie w sieciach społecznościowych:

Wszystkie tematy w tym dziale:

Zasoby energetyczne planety
Zasoby energii to obiekty materialne, w których koncentruje się energia. Energię można z grubsza podzielić na rodzaje: chemiczną, mechaniczną, termiczną, elektryczną itp. Do podstawowych surowców energetycznych z

Możliwości wykorzystania surowców energetycznych
Energia termojądrowa Energia termojądrowa to energia syntezy helu z deuteru. Deuter to atom wodoru, którego jądro składa się z jednego protonu i jednego neutro

Zasoby energetyczne Rosji
Rosja posiada ogromne zasoby surowców energetycznych, a zwłaszcza węgla. Potencjał teoretyczny to zapasy paliwa, które nie zostały szczegółowo zweryfikowane. Potencjał techniczny

Produkcja energii w elektrowniach cieplnych
Podobnie jak w większości krajów świata, większość energii elektrycznej w Rosji wytwarzana jest w elektrowniach cieplnych spalających paliwa kopalne. Paliwa stałe, płynne i gazowe wykorzystywane są jako paliwo w elektrowniach cieplnych.

Zmienny harmonogram zużycia energii
Zużycie energii elektrycznej nie jest takie samo w ciągu dnia. W godzinach szczytu gwałtownie wzrasta, a w nocy znacznie maleje. Dlatego system elektroenergetyczny musi posiadać moce bazowe pracujące w p.

Problemy z przesyłem energii elektrycznej
Przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości wiąże się ze stratami w liniach elektroenergetycznych. Straty energii elektrycznej są równe iloczynowi prądu i mocy elektrycznej. rezystancja drutu. Przesyłane drogą przewodową

Turbiny gazowe i elektrownie gazowe z cyklem kombinowanym (GTU i CCGT)
Obecnie najbardziej obiecującymi instalacjami do produkcji energii cieplnej i elektrycznej są turbiny gazowe i gazownie z cyklem kombinowanym. Zastosowanie tych instalacji w wielu krajach

Jednostki magnetohydrodynamiczne (MGDU)
Obiecujące jest także wykorzystanie elektrowni opartych na generatorze magnetohydrodynamicznym. Cykl MGDU jest taki sam jak w przypadku zespołu turbiny gazowej, tj. adiabatyczne sprężanie i rozprężanie płynu roboczego, zasilanie izobaryczne

Ogniwa paliwowe
Obecnie ogniwa paliwowe służą do wytwarzania energii elektrycznej w celu wytworzenia energii elektrycznej. Pierwiastki te przekształcają energię reakcji chemicznych w energię elektryczną. Chemiczny

Pompy ciepła
HP nazywane są urządzeniami, które działają w odwrotnym cyklu termodynamicznym i są przeznaczone do przenoszenia ciepła ze źródła energii o niskim potencjale do źródła o wysokim potencjale. Drugie prawo

Miejsce energetyki małej skali w rosyjskiej energetyce
Do nietradycyjnych źródeł energii zaliczają się małe elektrownie wodne, elektrownie wysokoprężne, elektrownie gazowo-tłokowe i małe elektrownie jądrowe. Gwarant niezawodnego zasilania, ciepła

Turbina gazowa i małe elektrownie o cyklu kombinowanym
Elektrownie turbinowe małej mocy to instalacje kompaktowe, produkowane w oparciu o zasadę blokowo-kontenerową. Elementy elektrowni z turbiną gazową umożliwiają wytwarzanie nie tylko energii elektrycznej, ale także

MiniCHP
Obecnie wzrosło zainteresowanie skojarzonym wytwarzaniem ciepła i energii elektrycznej w małych zakładach o mocy od kilkudziesięciu kW do kilkunastu kW.

Elektrownie diesla
W niektórych trudno dostępnych regionach Rosji, gdzie nieopłacalne jest instalowanie linii energetycznych, do dostarczania energii ludności tych obszarów wykorzystywane są elektrownie benzynowe i wysokoprężne. W regionach dalekiej północy liczba

Elektrownie tłokowe na gaz
Ponieważ W związku z ciągłym wzrostem cen oleju napędowego eksploatacja elektrowni zasilanych olejem napędowym staje się kosztowna, dlatego obecnie obserwuje się duże zainteresowanie

Małe elektrownie hybrydowe
Aby zwiększyć niezawodność i efektywność systemów zasilania, wymagane jest tworzenie wielofunkcyjnych kompleksów energetycznych (MEC). Można także tworzyć kompleksy w oparciu o małe hybrydy elektryczne

Małe elektrownie jądrowe
W ostatnim czasie obserwuje się duże zainteresowanie elektrowniami jądrowymi małej mocy. Są to stacje o konstrukcji blokowej, pozwalają na unifikację sprzętu i działanie autonomiczne. Takie stacje mogą być niezawodne

Mała elektrownia wodna
Liderem rozwoju małej energetyki wodnej są Chiny. Moc małych elektrowni wodnych (MEW) w Chinach przekracza 20 tys. MW. W Indiach moc zainstalowana MEW przekracza 200 MW. Powszechne stosowanie SHPP

Podstawowe nieodnawialne zasoby energii prędzej czy później się wyczerpią. Obecnie około 80% energii zużywanej na planecie pochodzi z paliw kopalnych. Używany w ten sposób, ekologicznie

Energia wodna
Elektrownia wodna wykorzystuje energię przepływu wody jako źródło energii. Elektrownie wodne buduje się na rzekach poprzez budowę tam i zbiorników. Do wydajnej produkcji energii w elektrowniach wodnych wymagane są dwa główne czynniki

Energia słoneczna
Energia słoneczna powstaje w wyniku reakcji syntezy jąder lekkich pierwiastków: deuteru, trytu i helu, którym towarzyszą ogromne ilości energii. Źródło wszelkiej energii, z wyjątkiem

Zamiana energii słonecznej na energię cieplną
Energię słoneczną można przekształcić w energię cieplną za pomocą kolektora. Wszystkie kolektory słoneczne posiadają powierzchniowy lub objętościowy absorber ciepła. Ciepło można odebrać z kolektora lub zmagazynować

Termodynamiczna konwersja energii słonecznej na energię elektryczną
Metody termodynamicznej konwersji energii słonecznej na energię elektryczną opierają się na cyklach silnika cieplnego. Energia słoneczna jest przetwarzana na energię elektryczną w elektrowniach słonecznych (

Perspektywy rozwoju energetyki słonecznej w Rosji
W 1985 roku we wsi Szczelkino w obwodzie krymskim uruchomiono pierwszą w ZSRR wieżową elektrownię słoneczną SES-5 o mocy elektrycznej 5 MW. 1600 heliostatów (płaskie ziarna

Cechy wykorzystania energii wiatru
Główną przyczyną wiatru jest nierównomierne nagrzewanie powierzchni ziemi przez słońce. Energia wiatrowa jest bardzo silna. Według szacunków Światowej Organizacji Meteorologicznej rezerwy energii wiatrowej

Produkcja energii elektrycznej za pomocą turbin wiatrowych
Wykorzystanie turbin wiatrowych do produkcji energii elektrycznej jest najskuteczniejszym sposobem konwersji energii wiatru. Projektując turbiny wiatrowe, należy wziąć pod uwagę ich następujące cechy

Energia wiatrowa w Rosji
Potencjał energetyki wiatrowej Rosji szacowany jest na 40 miliardów kW. h energii elektrycznej rocznie, czyli około 20 000 MW. Farma wiatrowa o mocy 1 MW przy średniej rocznej prędkości wiatru 6 m/s pozwala zaoszczędzić 1

Pochodzenie energii geotermalnej
W jądrze Ziemi temperatury sięgają 4000°C. Uwalnianie ciepła przez stałe skały lądowe i dno oceanu następuje głównie na skutek przewodności cieplnej i rzadziej w postaci konwekcyjnych przepływów stopionej cieczy.

Technika pozyskiwania ciepła geotermalnego
Źródła energii geotermalnej można podzielić na pięć typów. 1. Źródła suchej pary geotermalnej. Są dość rzadkie, ale najwygodniejsze do budowy elektrowni geotermalnych. 2. Źródło

Elektryczność
Przekształcenie energii geotermalnej w energię elektryczną odbywa się metodą maszynową z wykorzystaniem cyklu termodynamicznego w elektrowni geotermalnej. Do budowy elektrowni geotermalnych najczęściej stosuje się

Większa jest skala wykorzystania ciepła geotermalnego do ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę. W zależności od jakości i temperatury wody termalnej istnieją różne schematy geotermalne

Wpływ energii geotermalnej na środowisko
Główny wpływ GeoTPP na środowisko związany jest z zagospodarowaniem złóż, budową budynków i rurociągów parowych. Aby zapewnić GeoTES-owi wymaganą ilość pary lub gorącej wody, potrzebuję

Energia geotermalna w Rosji
W Rosji rozpoznano 47 złóż geotermalnych posiadających zasoby wód termalnych, które pozwalają na uzyskanie ponad 240 × 103 m3/dobę. wody termalne i hydrotermy parowe

Przyczyny uderzeń gorąca
Pływy powstają w wyniku oddziaływania grawitacyjnego Ziemi z Księżycem i Słońcem. Siłę pływową Księżyca w danym punkcie powierzchni Ziemi określa się jako różnicę lokalnej wartości siły grawitacji

Elektrownie pływowe (TPP)
Wodę podniesioną do maksymalnej wysokości podczas przypływu można oddzielić od morza tamą. W rezultacie powstaje basen pływowy. Maksymalna moc, jaką można uzyskać przechodząc

Wpływ PES na środowisko
Ewentualny wpływ elektrowni pływowych na środowisko może być związany ze zwiększonymi zakresami pływów po oceanicznej stronie tamy. Może to prowadzić do zalania gruntów i budynków

Energia pływów w Rosji
W Rosji wykorzystanie energii pływów w strefach przybrzeżnych oceanów Arktyki i Pacyfiku wiąże się z dużymi inwestycjami kapitałowymi. Pierwsza elektrownia w naszym kraju, Kislogubskaya TPP

Energia fal
Z fal morskich można uzyskać ogromną ilość energii. Siła przenoszona przez fale przez głęboką wodę jest proporcjonalna do kwadratu ich amplitudy i okresu. Najbardziej interesujące są te długie

Energia prądów oceanicznych
Cały obszar wodny Oceanu Światowego przecinają prądy powierzchniowe i głębokie. Zapas energii kinetycznej tych prądów wynosi około 7,2∙1012 kW∙h/rok. Ta energia z pomocą

Zasoby energii cieplnej oceanów
Oceany świata są naturalnym akumulatorem energii słonecznej. W morzach tropikalnych górna warstwa wody o grubości kilku metrów ma temperaturę 25...30 °C. Na głębokości 1000 m temperatura wody wynosi

Oceaniczne elektrownie cieplne
Proponowanych jest kilka typów urządzeń przetwarzających energię zmian temperatury w oceanie. Największym zainteresowaniem cieszy się konwersja energii cieplnej na energię elektryczną za pomocą termodynamiki

Zasoby biomasy
Termin „biomasa” odnosi się do materii organicznej pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, która może zostać wykorzystana do produkcji energii lub technicznie dogodnych paliw poprzez

Termochemiczna konwersja biomasy (spalanie, piroliza, zgazowanie)
Jednym z głównych kierunków recyklingu odpadów drzewnych jest ich wykorzystanie do wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej. Główne technologie pozyskiwania energii z odpadów drzewnych to:

Biotechnologiczna konwersja biomasy
Do konwersji biotechnologicznej wykorzystuje się różne odpady organiczne o zawartości wilgoci co najmniej 75%. Biologiczne przetwarzanie biomasy rozwija się w dwóch głównych kierunkach: 1) gospodarstwo rolne

Środowiskowe problemy bioenergii
Elektrownie bioenergetyczne pomagają zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska wszelkiego rodzaju odpadami. Fermentacja beztlenowa to nie tylko skuteczny sposób wykorzystania odpadów zwierzęcych

Charakterystyka stałych odpadów komunalnych (MSW)
Co roku na miejskich wysypiskach śmieci gromadzą się setki tysięcy ton odpadów z gospodarstw domowych. Specyficzna roczna produkcja odpadów stałych na mieszkańca współczesnego miasta wynosi 250...700 kg. W krajach rozwiniętych wartość ta wynosi e

Recykling odpadów stałych na składowiskach
Obecnie stałe odpady komunalne są zazwyczaj wywożone na składowiska w oczekiwaniu na ich późniejszą mineralizację. Zaleca się zagęszczenie odpadów stałych przed ich wyrzuceniem. To nie tylko zmniejsza

Kompostowanie odpadów stałych
Drugim kierunkiem utylizacji odpadów stałych jest ich przetwarzanie na nawóz organiczny (kompost). Kompostowaniu można poddać do 60% całkowitej masy odpadów z gospodarstw domowych. Proces kompostowania odbywa się w sposób rotacyjny

Spalanie odpadów stałych w specjalnych spalarniach odpadów
W krajach rozwiniętych gospodarczo coraz większa ilość odpadów stałych jest przetwarzana metodami przemysłowymi. Najbardziej skuteczny z nich jest termiczny. Pozwala na zmniejszenie objętości odpadów niemal 10-krotnie

Większość odnawialnych rodzajów energii – energia wodna, energia mechaniczna i cieplna z oceanów świata, energia wiatrowa i geotermalna – charakteryzuje się albo ograniczonym potencjałem, albo znacznymi trudnościami w powszechnym wykorzystaniu. Całkowity potencjał większości odnawialnych źródeł energii zwiększy zużycie energii w stosunku do obecnego poziomu jedynie o rząd wielkości. Ale istnieje inne źródło energii - Słońce. Słońce, gwiazda drugiej klasy widmowej, żółty karzeł, jest gwiazdą bardzo przeciętną we wszystkich swoich głównych parametrach: masie, promieniu, temperaturze i wielkości bezwzględnej. Ale ta gwiazda ma jedną wyjątkową cechę - jest „naszą gwiazdą”, a ludzkość całe swoje istnienie zawdzięcza tej przeciętnej gwieździe. Nasza gwiazda zasila Ziemię mocą około 10 17 W - taką moc ma „królik słoneczny” o średnicy 12,7 tys. km, który stale oświetla stronę naszej planety zwróconą w stronę Słońca. Natężenie światła słonecznego na poziomie morza na południowych szerokościach geograficznych, gdy Słońce znajduje się w zenicie, wynosi 1 kW/m2. Opracowując wysoce wydajne metody przetwarzania energii słonecznej, Słońce może zaspokoić szybko rosnące zapotrzebowanie na energię przez wiele setek lat.

Argumenty przeciwników wykorzystania energii słonecznej na szeroką skalę sprowadzają się głównie do następujących argumentów:

1. Moc właściwa promieniowania słonecznego jest niewielka, a konwersja energii słonecznej na dużą skalę będzie wymagała bardzo dużych obszarów.

2. Konwersja energii słonecznej jest bardzo droga i wymaga niemal nierealistycznych kosztów materiałów i robocizny.

Rzeczywiście, jak duży będzie obszar Ziemi objęty systemami przekształtnikowymi, aby wyprodukować znaczący udział energii elektrycznej w światowym budżecie energetycznym? Oczywiście obszar ten zależy od sprawności zastosowanych układów przekształtnikowych. Do oceny sprawności konwerterów fotowoltaicznych bezpośrednio przetwarzających energię słoneczną na energię elektryczną za pomocą fotokomórek półprzewodnikowych wprowadzamy pojęcie współczynnika wydajności (sprawności) fotokomórki, definiowanego jako stosunek mocy energii elektrycznej wytworzonej przez dany element do mocy moc promienia słonecznego padającego na powierzchnię fotokomórki. Zatem przy sprawności konwerterów fotowoltaicznych wynoszącej 10% (typowe wartości sprawności fotokomórek krzemowych, szeroko stosowanych w seryjnej produkcji przemysłowej na potrzeby energetyki naziemnej), aby wyprodukować 10 12 W energii elektrycznej, należałoby pokryć powierzchnię 4*10 10 m 2 fotokonwerterami równymi kwadratowi o boku 200 km. W tym przypadku przyjmuje się, że natężenie promieniowania słonecznego wynosi 250 W/m2, co odpowiada typowej średniej wartości w ciągu roku dla południowych szerokości geograficznych. Oznacza to, że „niska gęstość” promieniowania słonecznego nie jest przeszkodą w rozwoju energetyki słonecznej na dużą skalę.

Powyższe rozważania stanowią dość przekonujący argument: problem konwersji energii słonecznej trzeba rozwiązać dzisiaj, aby jutro móc tę energię wykorzystać. Można ten problem przynajmniej żartobliwie rozpatrywać w kontekście rozwiązywania problemów energetycznych kontrolowanej syntezy termojądrowej, gdy efektywny reaktor (Słońce) jest tworzony przez samą naturę i zapewnia surowiec do niezawodnej i bezpiecznej pracy przez wiele milionów lat, a nasz zadaniem jest jedynie rozbudowa naziemnej podstacji przekształtnikowej. W ostatnim czasie na świecie prowadzone są szeroko zakrojone badania w dziedzinie energetyki słonecznej, które wykazały, że w niedalekiej przyszłości ta metoda pozyskiwania energii może znaleźć uzasadnienie ekonomiczne i znaleźć szerokie zastosowanie.

Rosja jest bogata w zasoby naturalne. Posiadamy znaczne zasoby paliw kopalnych – węgla, ropy, gazu. Jednak wykorzystanie energii słonecznej ma również ogromne znaczenie dla naszego kraju. Pomimo tego, że znaczna część terytorium Rosji leży na dużych szerokościach geograficznych, niektóre bardzo duże południowe regiony naszego kraju mają bardzo sprzyjający klimat dla powszechnego wykorzystania energii słonecznej.

Jeszcze większe perspektywy wykorzystania energii słonecznej ma w krajach pasa równikowego Ziemi oraz na terenach położonych blisko tego pasa, charakteryzujących się wysokim poziomem energii słonecznej. Tak więc w wielu regionach Azji Środkowej czas bezpośredniego nasłonecznienia sięga 3000 godzin rocznie, a roczny dopływ energii słonecznej na poziomą powierzchnię wynosi 1500–1850 kW o godz. / m2.

Główne kierunki prac w zakresie konwersji energii słonecznej to obecnie:

— bezpośrednie ogrzewanie cieplne (odbiór energii cieplnej) i konwersja termodynamiczna (odbiór energii elektrycznej z pośrednią konwersją energii słonecznej na ciepło);

— fotoelektryczna konwersja energii słonecznej.

Bezpośrednie ogrzewanie termiczne jest najprostszą metodą konwersji energii słonecznej i jest szeroko stosowane w południowych regionach Rosji oraz w krajach równikowych w instalacjach ogrzewania słonecznego, dostarczaniu ciepłej wody, chłodzeniu budynków, odsalaniu wody itp. Podstawą instalacji wykorzystujących energię słoneczną są płaskie kolektory słoneczne – pochłaniacze promieniowania słonecznego. Woda lub inna ciecz mająca kontakt z absorberem jest podgrzewana i usuwana z niego za pomocą pompy lub naturalnego obiegu. Ogrzana ciecz trafia następnie do magazynu, skąd jest zużywana w miarę potrzeb. To urządzenie przypomina domowe systemy zaopatrzenia w ciepłą wodę.

Energia elektryczna jest najwygodniejszym rodzajem energii w użyciu i przesyłaniu. Dlatego zrozumiałe jest zainteresowanie badaczy rozwojem i tworzeniem elektrowni słonecznych wykorzystujących pośrednią konwersję energii słonecznej na ciepło, a następnie jej konwersję na energię elektryczną.

Obecnie na świecie najpopularniejsze elektrownie słoneczne są dwojakiego rodzaju: 1) typu wieżowego z koncentracją energii słonecznej na jednym odbiorniku słonecznym, realizowaną przy użyciu dużej liczby zwierciadeł płaskich; 2) rozproszone układy paraboloidów i cylindrów parabolicznych, w ognisku których umieszczone są odbiorniki ciepła i przetwornice małej mocy.

2. ROZWÓJ ENERGII SŁONECZNEJ

Na przełomie lat 70. i 80. w różnych krajach świata zbudowano siedem pilotażowych elektrowni słonecznych (SPP) tzw. typu wieżowego o mocy od 0,5 do 10 MW. Największa elektrownia słoneczna o mocy 10 MW (Solar One) powstała w Kalifornii. Wszystkie te elektrownie słoneczne zbudowane są na tej samej zasadzie: pole zwierciadeł heliostatycznych umieszczonych na poziomie gruntu i śledzących słońce odbija promienie słoneczne do odbiornika zamontowanego na szczycie dość wysokiej wieży. Odbiornikiem jest w istocie kocioł solarny, w którym wytwarzana jest para wodna o średnich parametrach, która następnie kierowana jest do standardowej turbiny parowej.

Drugi projekt, wieżowa elektrownia słoneczna PHOEBUS, realizowany jest przez niemieckie konsorcjum. Projekt zakłada utworzenie demonstracyjnej hybrydowej (słoneczno-paliwowej) elektrowni słonecznej o mocy 30 MW z odbiornikiem objętościowym, w którym podgrzewane będzie powietrze atmosferyczne, które następnie kierowane będzie do kotła parowego, gdzie wytwarzana jest para wodna, który działa w cyklu Rankine’a. Na drodze powietrza od odbiornika do kotła palnik ma spalać gaz ziemny, którego ilość jest regulowana tak, aby utrzymać zadaną moc przez całą dobę. Z obliczeń wynika, że ​​np. przy rocznym nasłonecznieniu wynoszącym 6,5 GJ/m2 (podobnie jak w południowych obwodach Ukrainy) ta elektrownia słoneczna o łącznej powierzchni heliostatu 160 tys. m2 uzyska moc 290,2 GW *h/rok energii słonecznej, a ilość energii wniesionej w paliwie wyniesie 176,0 GWh/rok. Jednocześnie elektrownia słoneczna będzie wytwarzać 87,9 GWh energii elektrycznej rocznie przy średniorocznej sprawności na poziomie 18,8%. Przy takich wskaźnikach można oczekiwać, że koszt energii elektrycznej wytworzonej w elektrowni słonecznej będzie na poziomie elektrowni cieplnych wykorzystujących paliwa kopalne.

Od połowy lat 80-tych w południowej Kalifornii firma LUZ stworzyła i uruchomiła do komercyjnej eksploatacji dziewięć elektrowni słonecznych z parabolicznymi koncentratorami cylindrycznymi (PCC), których moc jednostkowa wzrosła od pierwszej elektrowni słonecznej do kolejnej z 13,8 do 80 MW . Całkowita moc tych elektrowni słonecznych osiągnęła 350 MW. W tych SES-ach zastosowano PCC z aperturą, która zwiększała się w trakcie przejścia z pierwszego SES do kolejnych. Śledząc słońce na jednej osi, koncentratory skupiają promieniowanie słoneczne na odbiornikach rurowych zamkniętych w rurach próżniowych. Wewnątrz odbiornika przepływa ciecz chłodząca o wysokiej temperaturze, która nagrzewa się do temperatury 380°C, a następnie przekazuje ciepło pary wodnej do wytwornicy pary. Konstrukcja tych elektrowni słonecznych przewiduje również spalanie pewnej ilości gazu ziemnego w generatorze pary w celu wytworzenia dodatkowej energii szczytowej, a także zrekompensowania zmniejszonego nasłonecznienia.

Te elektrownie słoneczne powstały i działały w czasie, gdy w Stanach Zjednoczonych obowiązywały przepisy zezwalające elektrowniom słonecznym na pracę na progu rentowności. Wygaśnięcie tych przepisów pod koniec lat 80-tych doprowadziło do bankructwa firmy LUZ i wstrzymania budowy nowych tego typu elektrowni słonecznych.

Firma KJC (Kramer Junction Company), która eksploatowała pięć z dziewięciu zbudowanych elektrowni słonecznych (od 3 do 7), postawiła sobie za zadanie zwiększenie sprawności tych elektrowni słonecznych, obniżenie kosztów ich eksploatacji i uczynienie ich atrakcyjnymi ekonomicznie w nowych warunkach. Program ten jest obecnie z sukcesem wdrażany.

Szwajcaria stała się jednym z liderów wykorzystania energii słonecznej. Według danych z 1997 roku wybudowano tu około 2600 instalacji fotowoltaicznych opartych na przetwornicach fotoelektrycznych o mocy od 1 do 1000 kW. Program o nazwie „Solar-91” i realizowany pod hasłem „O niepodległą energetycznie Szwajcarię” wnosi znaczący wkład w rozwiązanie problemów środowiskowych i niezależności energetycznej kraju, który dziś importuje ponad 70% swojej energii. Elektrownię słoneczną o mocy 2-3 kW najczęściej montuje się na dachach i elewacjach budynków. Instalacja ta wytwarza średnio 2000 kWh energii elektrycznej rocznie, co wystarcza na potrzeby przeciętnego szwajcarskiego domu. Duże firmy instalują na dachach budynków produkcyjnych instalacje fotowoltaiczne o mocy do 300 kW. Stacja taka pokrywa zapotrzebowanie przedsiębiorstwa na energię elektryczną w 50-60%.

Na wyżynach alpejskich, gdzie nieopłacalne jest układanie linii energetycznych, buduje się także elektrownie słoneczne dużej mocy. Doświadczenie operacyjne pokazuje, że Sun jest już w stanie zaspokoić potrzeby wszystkich budynków mieszkalnych w kraju. Instalacje fotowoltaiczne, umieszczone na dachach i ścianach domów, na ekranach akustycznych autostrad, na obiektach transportowych i przemysłowych, nie wymagają do ich umieszczenia drogich terenów rolniczych. Autonomiczna instalacja fotowoltaiczna w pobliżu wsi Grimsel zapewnia energię elektryczną do całodobowego oświetlenia tunelu drogowego. W pobliżu miasta Shur panele słoneczne zainstalowane na 700-metrowym odcinku ekranów akustycznych zapewniają 100 kW energii elektrycznej rocznie.

Nowoczesna koncepcja wykorzystania energii słonecznej najpełniej znalazła swój wyraz podczas budowy budynków fabryki szkła okiennego w Arisdorfie, gdzie podczas projektowania przypisano panelom fotowoltaicznym o łącznej mocy 50 kW dodatkową rolę jako elementy podłóg i elewacji. Przy silnym nagrzewaniu zauważalnie spada wydajność konwerterów fotowoltaicznych, dlatego pod panelami układane są rurociągi wentylacyjne, które pompują powietrze zewnętrzne. Ciemnoniebieskie fotokonwertery mieniące się w słońcu na południowej i zachodniej elewacji budynku administracyjnego, dostarczające prąd do sieci, pełnią rolę dekoracyjnej okładziny.

W krajach rozwijających się stosuje się stosunkowo niewielkie instalacje do dostarczania prądu do poszczególnych domów, w odległych wioskach do wyposażenia ośrodków kultury, gdzie dzięki PMT można korzystać z telewizorów itp. W tym przypadku to nie koszt prądu bierze się z na pierwszy plan, ale efekt społeczny. Programy wprowadzenia fotowoltaiki w tych krajach aktywnie wspierają organizacje międzynarodowe, w ich finansowaniu uczestniczy Bank Światowy w oparciu o postulowaną przez niego „Inicjatywę Słoneczną”. Na przykład w Kenii w ciągu ostatnich 5 lat 20 000 wiejskich domów zostało zelektryfikowanych za pomocą fotowoltaiki. Duży program wprowadzenia fotopowielaczy realizowany jest w Indiach, gdzie w latach 1986 – 1992. Na instalację PMT na obszarach wiejskich wydano 690 milionów rupii.

W krajach uprzemysłowionych aktywne wdrażanie fotopowielaczy tłumaczy się kilkoma czynnikami. Po pierwsze, PMT są uważane za źródła przyjazne dla środowiska, które mogą zmniejszyć szkodliwy wpływ na środowisko. Po drugie, zastosowanie PMT w domach prywatnych zwiększa autonomię energetyczną i chroni właściciela w przypadku ewentualnych przerw w scentralizowanym zasilaniu.

3. FOTOWOLTAICZNA KONWERSJA ENERGII SŁONECZNEJ

Ważny wkład w zrozumienie mechanizmu działania efektu fotoelektrycznego w półprzewodnikach wniósł założyciel Instytutu Fizyko-Technicznego (PTI) Rosyjskiej Akademii Nauk, akademik A.F. Ioffe. O zastosowaniu fotokomórek półprzewodnikowych w energetyce słonecznej marzył już w latach trzydziestych, kiedy B.T. Kołomiets i Yu.P. Maslakovets stworzył w Instytucie Fizykotechnicznym ogniwa słoneczne siarkowo-talowe z rekordową jak na tamte czasy sprawnością = 1%.

Szerokie praktyczne wykorzystanie paneli słonecznych do celów energetycznych rozpoczęło się wraz z wystrzeleniem w 1958 roku sztucznych satelitów Ziemi – radzieckiego Sputnika-3 i amerykańskiego Avangard-1. Od tego czasu, przez ponad 35 lat, półprzewodnikowe baterie słoneczne są głównym i prawie jedynym źródłem energii dla statków kosmicznych i dużych stacji orbitalnych, takich jak Salut i Mir. Obszerne prace przygotowawcze zgromadzone przez naukowców w dziedzinie baterii słonecznych do zastosowań kosmicznych umożliwiły również rozwój prac nad naziemną energią fotowoltaiczną.

Podstawą fotokomórek jest struktura półprzewodnikowa ze złączem p-n, które pojawia się na styku dwóch półprzewodników o różnych mechanizmach przewodnictwa. Należy pamiętać, że ta terminologia pochodzi od angielskich słów „pozytywny” (pozytywny) i „negatywny” (negatywny). Różne rodzaje przewodności uzyskuje się poprzez zmianę rodzaju zanieczyszczeń wprowadzanych do półprzewodnika. Na przykład atomy grupy III układu okresowego D.I. Mendelejew wprowadzony do sieci krystalicznej krzemu nadaje temu drugiemu przewodnictwo dziurowe (dodatnie), a zanieczyszczenia z grupy V - elektroniczne (ujemne). Kontakt półprzewodników p lub n powoduje powstanie między nimi kontaktowego pola elektrycznego, które odgrywa niezwykle ważną rolę w działaniu fotokomórki słonecznej. Wyjaśnijmy przyczynę występowania różnicy potencjałów kontaktowych. Kiedy półprzewodniki typu p i n są połączone w jeden monokryształ, przepływ dyfuzyjny elektronów powstaje z półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p i odwrotnie, przepływ dziur z półprzewodnika p do n. W wyniku tego procesu część półprzewodnika typu p przylegająca do złącza p-n zostanie naładowana ujemnie, a część półprzewodnika typu n przylegająca do złącza p-n, wręcz przeciwnie, uzyska ładunek dodatni. W ten sposób w pobliżu złącza p-n tworzy się podwójnie naładowana warstwa, która przeciwdziała procesowi dyfuzji elektronów i dziur. Rzeczywiście, dyfuzja ma tendencję do tworzenia przepływu elektronów z obszaru n do obszaru p, a pole naładowanej warstwy, przeciwnie, zwraca elektrony do obszaru n. Podobnie pole w złączu pn przeciwdziała dyfuzji dziur z obszaru p do n. W wyniku dwóch przeciwstawnych procesów (dyfuzja i ruch nośników prądu w polu elektrycznym) dochodzi do stacjonarnego stanu równowagi: na granicy pojawia się naładowana warstwa, która uniemożliwia penetrację elektronów z n-półprzewodnika i dziury w półprzewodniku p. Innymi słowy, w obszarze złącza p-n powstaje bariera energetyczna (potencjalna), aby pokonać, które elektrony z półprzewodnika n i dziury z półprzewodnika p muszą wydać określoną energię. Nie przestając opisywać właściwości elektrycznych złącza pn, które jest szeroko stosowane w prostownikach, tranzystorach i innych urządzeniach półprzewodnikowych, rozważmy działanie złącza pn w fotokomórkach.

Kiedy światło jest absorbowane w półprzewodniku, wzbudzane są pary elektron-dziura. W jednorodnym półprzewodniku fotowzbudzenie zwiększa jedynie energię elektronów i dziur bez oddzielania ich w przestrzeni, to znaczy elektrony i dziury są oddzielone w „przestrzeni energetycznej”, ale pozostają blisko siebie w przestrzeni geometrycznej. Do oddzielenia nośników prądu i pojawienia się siły fotoelektromotorycznej (fotoEMF) musi zaistnieć dodatkowa siła. Najbardziej efektywna separacja nośników nierównowagowych następuje właśnie w rejonie złącza pn. Nośniki „mniejszościowe” generowane w pobliżu złącza p-n (dziury w półprzewodniku n i elektrony w półprzewodniku p) dyfundują do złącza p-n, są wychwytywane przez pole złącza p-n i wrzucane do półprzewodnika, w którym stają się nośniki większościowe: elektrony będą zlokalizowane w półprzewodniku typu n, a dziury w półprzewodniku typu p. W rezultacie półprzewodnik typu p otrzymuje nadmiar ładunku dodatniego, a półprzewodnik typu n otrzymuje ładunek ujemny. Różnica potencjałów – fotoEMF – występuje pomiędzy obszarami n i p fotokomórki. Polaryzacja fotoEMF odpowiada „do przodu” polaryzacji złącza p-n, co obniża wysokość bariery i sprzyja wstrzykiwaniu dziur z obszaru p do obszaru n i elektronów z obszaru n do obszaru p . W wyniku działania tych dwóch przeciwstawnych mechanizmów – akumulacji nośników prądu pod wpływem światła i ich wypływu na skutek zmniejszenia wysokości bariery potencjału – przy różnych natężeniach światła ustalają się różne wartości fotowoltaiki. W tym przypadku wartość fotowoltaiki w szerokim zakresie oświetlenia wzrasta proporcjonalnie do logarytmu natężenia światła. Przy bardzo dużym natężeniu światła, gdy bariera potencjału okazuje się praktycznie zerowa, wartość fotoEMF osiąga „nasycenie” i staje się równa wysokości bariery na nieoświetlonym złączu p-n. Pod wpływem bezpośredniego, a także promieniowania słonecznego o stężeniu do 100-1000 razy, wartość fotoEMF wynosi 50-85% różnicy potencjałów stykowych złącza p-n.

W ten sposób rozpatrzono proces powstawania fotowoltaiki, który zachodzi na stykach obszarów p i n złącza p-n. Kiedy oświetlone złącze pn zostanie zwarte, w obwodzie elektrycznym popłynie prąd proporcjonalny do natężenia oświetlenia i liczby par elektron-dziura generowanych przez światło. Kiedy do obwodu elektrycznego zostanie podłączony ładunek użytkowy, taki jak kalkulator zasilany baterią słoneczną, prąd w obwodzie nieznacznie się zmniejszy. Zazwyczaj opór elektryczny ładunku w obwodzie ogniwa słonecznego dobiera się tak, aby uzyskać maksymalną moc elektryczną dostarczaną do tego obciążenia.

Fotokomórka słoneczna jest wykonana z płytki wykonanej z materiału półprzewodnikowego, takiego jak krzem. W płycie utworzone są obszary o przewodności typu p i n. Do metod tworzenia tych obszarów zalicza się na przykład metodę dyfuzji zanieczyszczeń lub metodę narastania jednego półprzewodnika na drugi. Następnie wykonuje się styki elektryczne dolny i górny, przy czym styk dolny jest solidny, a styk górny wykonany jest w formie konstrukcji grzebieniowej (cienkie paski połączone stosunkowo szeroką szyną odbiorczą prądu).

Głównym materiałem do produkcji ogniw słonecznych jest krzem. Technologia wytwarzania krzemu półprzewodnikowego i opartych na nim fotokomórek opiera się na metodach opracowanych w mikroelektronice – najbardziej rozwiniętej technologii przemysłowej. Najwyraźniej krzem jest na ogół jednym z najlepiej zbadanych materiałów w przyrodzie, a także drugim po tlenie najczęściej występującym w nim materiałem. Biorąc pod uwagę, że pierwsze ogniwa słoneczne wykonano z krzemu około czterdzieści lat temu, naturalne jest, że materiał ten odgrywa pierwsze skrzypce w programach energii fotowoltaicznej. Fotokomórki wykonane z krzemu monokrystalicznego łączą w sobie zalety zastosowania stosunkowo taniego materiału półprzewodnikowego z wysokimi parametrami otrzymywanych z niego urządzeń.

Do niedawna ogniwa słoneczne do zastosowań naziemnych, a także kosmicznych, wykonywano w oparciu o stosunkowo drogi krzem monokrystaliczny. Obniżając koszt krzemu wyjściowego, rozwój wysokowydajnych metod wytwarzania płytek z wlewków oraz zaawansowanych technologii wytwarzania ogniw słonecznych pozwoliły kilkukrotnie obniżyć koszt naziemnych ogniw słonecznych na ich bazie. Główne obszary prac nad dalszym obniżeniem kosztów energii słonecznej to: pozyskiwanie elementów w oparciu o tani, w tym taśmowy, polikrystaliczny krzem; rozwój tanich elementów cienkowarstwowych na bazie krzemu amorficznego i innych materiałów półprzewodnikowych; Konwersja skoncentrowanego promieniowania słonecznego przy użyciu wysoce wydajnych elementów na bazie krzemu i stosunkowo nowego materiału półprzewodnikowego aluminiowo-galowo-arsenowego.

Soczewka Fresnela to płytka wykonana z plexi o grubości 1–3 mm, której jedna strona jest płaska, a z drugiej znajduje się profil w postaci koncentrycznych pierścieni, powtarzający profil soczewki wypukłej. Soczewki Fresnela są znacznie tańsze od konwencjonalnych soczewek wypukłych i zapewniają stopień koncentracji 2 - 3 tysięcy „słońc”.

W ostatnich latach na świecie nastąpił znaczny postęp w rozwoju krzemowych ogniw słonecznych, które działają w warunkach skoncentrowanego promieniowania słonecznego. Pierwiastki krzemowe o wydajności >25% powstały w warunkach napromieniowania powierzchni Ziemi przy stopniu koncentracji 20 – 50 „słońc”. Na znacznie większe stopnie koncentracji pozwalają fotokomórki bazujące na materiale półprzewodnikowym aluminium-gal-arsen, stworzone po raz pierwszy w Instytucie Fizyko-Technicznym. AF Ioffe’a w 1969 r. W takich ogniwach słonecznych wartości sprawności > 25% osiągane są przy poziomach stężeń sięgających nawet 1000 razy. Pomimo wysokiego kosztu takich elementów, ich udział w koszcie wytworzonej energii elektrycznej nie okazuje się decydujący przy wysokich stopniach koncentracji promieniowania słonecznego ze względu na znaczne (nawet 1000-krotne) zmniejszenie ich powierzchni. Sytuacja, w której koszt fotokomórek nie ma znaczącego udziału w całkowitym koszcie instalacji fotowoltaicznej powoduje, że uzasadnione jest komplikowanie i zwiększanie kosztu fotokomórki, jeśli ma to zapewnić wzrost wydajności. Wyjaśnia to obecną uwagę poświęcaną rozwojowi kaskadowych ogniw słonecznych, które mogą osiągnąć znaczny wzrost wydajności. W kaskadowym ogniwie słonecznym widmo słoneczne jest podzielone na dwie (lub więcej) części, na przykład widzialną i podczerwoną, z których każda jest przetwarzana za pomocą fotokomórek wykonanych z różnych materiałów. W tym przypadku zmniejszają się straty energii kwantów promieniowania słonecznego. Przykładowo w kaskadach dwuelementowych teoretyczna wartość sprawności przekracza 40%.

Rodzaje przetworników fotoelektrycznych

Najbardziej energooszczędnymi urządzeniami do przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną (ponieważ jest to bezpośrednie, jednostopniowe przejście energii) są półprzewodnikowe konwertery fotowoltaiczne (PVC). Przy temperaturze równowagi charakterystycznej dla ogniw fotowoltaicznych rzędu 300-350 kelwinów i T ~ 6000 K, ich maksymalna teoretyczna sprawność wynosi > 90%. Oznacza to, że w wyniku optymalizacji konstrukcji i parametrów przekształtnika, mającej na celu ograniczenie nieodwracalnych strat energii, całkiem możliwe będzie zwiększenie praktycznej sprawności do 50% lub więcej (w laboratoriach osiągnięto już sprawność na poziomie 40% został osiągnięty).

Badania teoretyczne i praktyczne osiągnięcia w dziedzinie fotowoltaicznej konwersji energii słonecznej potwierdziły możliwość osiągnięcia tak wysokich wartości sprawności za pomocą ogniw słonecznych oraz zidentyfikowały główne sposoby osiągnięcia tego celu.

Konwersja energii w ogniwach PV opiera się na efekcie fotowoltaicznym, który zachodzi w niejednorodnych strukturach półprzewodnikowych pod wpływem promieniowania słonecznego. Niejednorodność struktury PV można uzyskać domieszkując ten sam półprzewodnik różnymi domieszkami (tworząc złącza p - n) lub łącząc różne półprzewodniki o nierównych przerwach wzbronionych - energii usuwania elektronów z atomu (tworząc heterozłącza), lub zmieniając składu chemicznego półprzewodnika, co prowadzi do pojawienia się gradientu pasma wzbronionego (tworzenie struktur o stopniowanej przerwie). Możliwe są także różne kombinacje powyższych metod. Sprawność konwersji zależy od właściwości elektrycznych niejednorodnej struktury półprzewodnika, a także właściwości optycznych ogniwa słonecznego, wśród których najważniejszą rolę odgrywa fotoprzewodnictwo, wywołane wewnętrznym efektem fotoelektrycznym w półprzewodnikach pod wpływem światła słonecznego. Zasadę działania ogniw fotowoltaicznych można wyjaśnić na przykładzie przekształtników ze złączami p-n, które są szeroko stosowane we współczesnej energetyce słonecznej i kosmicznej. Złącze elektron-dziura powstaje poprzez domieszkowanie płytki monokrystalicznego materiału półprzewodnikowego o określonym typie przewodności (tj. typu p lub n) domieszką, zapewniając utworzenie warstwy powierzchniowej o przewodności przeciwnej typ.

Stężenie domieszki w tej warstwie musi być znacznie wyższe niż stężenie domieszki w materiale bazowym (oryginalnym monokrysztale), aby zneutralizować obecne w nim główne nośniki swobodnego ładunku i wytworzyć przewodnictwo o znaku przeciwnym. Na granicy warstw n i p w wyniku przepływu ładunku tworzą się strefy zubożone, w których w warstwie n występuje nieskompensowany objętościowy ładunek dodatni, a w warstwie p objętościowy ładunek ujemny. Strefy te razem tworzą złącze p-n. Pojawiająca się na przejściu bariera potencjału (różnica potencjałów styków) uniemożliwia przejście głównych nośników ładunku, tj. elektrony od strony warstwy p, ale swobodnie pozwalają nośnikom mniejszościowym przechodzić w przeciwnych kierunkach. Ta właściwość złączy p-n decyduje o możliwości uzyskania fotoemf podczas naświetlania ogniwa słonecznego światłem słonecznym. Nierównowagowe nośniki ładunku (pary elektron-dziura) utworzone przez światło w obu warstwach ogniwa fotowoltaicznego są rozdzielane na złączu p-n: nośniki mniejszościowe (czyli elektrony) swobodnie przechodzą przez złącze, a nośniki większościowe (dziury) zostają zatrzymane. Zatem pod wpływem promieniowania słonecznego przez złącze p-n w obu kierunkach będzie przepływał prąd nierównowagowych nośników ładunku mniejszościowego – fotoelektronów i fotodziur – czyli dokładnie tyle, ile jest potrzebne do działania ogniwa słonecznego. Jeśli teraz zamkniemy obwód zewnętrzny, to elektrony z warstwy n po wykonaniu pracy nad obciążeniem powrócą do warstwy p i tam ponownie połączą się (połączą) z dziurami poruszającymi się wewnątrz ogniwa słonecznego w przeciwnym kierunku. Aby gromadzić i usuwać elektrony do obwodu zewnętrznego, na powierzchni struktury półprzewodnikowej ogniwa słonecznego znajduje się układ styków. Na przedniej, podświetlanej powierzchni przetwornika styki wykonane są w formie siatki lub grzebienia, a z tyłu mogą być pełne.

Główne nieodwracalne straty energii w ogniwach słonecznych są związane z:

• odbicie promieniowania słonecznego od powierzchni konwertera,
• przejście części promieniowania przez ogniwo fotowoltaiczne bez absorpcji w nim,
• rozpraszanie nadmiaru energii fotonów na drganiach termicznych sieci,
• rekombinacja powstałych fotopar na powierzchniach i w objętości ogniwa fotowoltaicznego,
• rezystancja wewnętrzna przetwornika,
• i niektóre inne procesy fizyczne.

Aby ograniczyć wszelkiego rodzaju straty energii w elektrowniach słonecznych, opracowuje się i z powodzeniem stosuje różne środki. Obejmują one:

• zastosowanie półprzewodników o optymalnych przerwach wzbronionych dla promieniowania słonecznego;
• ukierunkowana poprawa właściwości struktury półprzewodnika poprzez jej optymalne domieszkowanie i tworzenie wbudowanych pól elektrycznych;
• przejście od struktur półprzewodnikowych jednorodnych do heterogenicznych i ze stopniowaną przerwą;
• optymalizacja parametrów projektowych PV (głębokość złącza pn, grubość warstwy bazowej, częstotliwość siatki jezdnej itp.);
• zastosowanie wielofunkcyjnych powłok optycznych zapewniających antyodbicie, regulację termiczną i ochronę ogniw słonecznych przed promieniowaniem kosmicznym;
• rozwój ogniw słonecznych przezroczystych w zakresie fal długich widma słonecznego poza krawędzią głównego pasma absorpcji;
• tworzenie kaskadowych ogniw fotowoltaicznych z półprzewodników specjalnie dobranych pod kątem szerokości pasma wzbronionego, umożliwiających konwersję w każdej kaskadzie promieniowania, które przeszło przez poprzednią kaskadę itp.;

Znaczący wzrost wydajności ogniw słonecznych uzyskano także poprzez stworzenie przetworników o dwustronnej czułości (do +80% dotychczasowej sprawności jednej strony), zastosowanie luminescencyjnych struktur reemisyjnych oraz wstępne rozkład widma słonecznego na dwa lub więcej obszarów widmowych za pomocą wielowarstwowych rozdzielaczy wiązek folii (zwierciadeł dichroicznych) z późniejszą transformacją każdej części widma przez oddzielne ogniwo fotowoltaiczne itp.

W układach konwersji energii elektrowni słonecznych (elektrowni słonecznych) można w zasadzie stosować dowolne typy ogniw słonecznych o różnej budowie, na bazie różnych materiałów półprzewodnikowych, które powstały i są obecnie opracowywane, jednak nie wszystkie spełniają wymagania stawiane zestaw wymagań dla tych systemów:

• wysoka niezawodność przy długiej (kilkadziesiąt lat!) żywotności;
• dostępność materiałów wyjściowych w ilościach wystarczających do wytworzenia elementów układu konwersji i możliwość zorganizowania ich masowej produkcji;
• koszty energii potrzebne do stworzenia systemu konwersji akceptowalne pod względem okresów zwrotu;
• minimalne koszty energii i masy związane z zarządzaniem systemem (przestrzenią) przetwarzania i przesyłu energii, w tym orientacją i stabilizacją stacji jako całości;
• łatwość konserwacji.

Przykładowo niektóre obiecujące materiały są trudne do uzyskania w ilościach niezbędnych do budowy elektrowni słonecznych ze względu na ograniczone naturalne zasoby surowców i złożoność ich przetwarzania. Niektóre metody poprawy właściwości energetycznych i operacyjnych ogniw słonecznych, na przykład poprzez tworzenie złożonych struktur, są słabo kompatybilne z możliwościami organizacji ich masowej produkcji przy niskich kosztach itp. Wysoką produktywność można osiągnąć jedynie organizując w pełni zautomatyzowaną produkcję PV, np. w oparciu o technologię taśmową i tworząc rozwiniętą sieć wyspecjalizowanych przedsiębiorstw o ​​odpowiednim profilu, tj. w istocie cały przemysł, porównywalny skalą do współczesnego przemysłu radioelektronicznego. Produkcja ogniw słonecznych i montaż paneli słonecznych na zautomatyzowanych liniach obniży koszt modułu akumulatorowego 2-2,5 razy.

Za najbardziej prawdopodobne materiały do ​​układów fotowoltaicznych do przetwarzania energii słonecznej na SES uważa się obecnie krzem i arsenek galu (GaAs), przy czym w tym drugim przypadku mówimy o heterofotokonwerterach (HPC) o strukturze AlGaAs-GaAs.

Jak wiadomo, FEC (przetwornice fotowoltaiczne) oparte na związku arsenu z galem (GaAs) mają wyższą teoretyczną sprawność niż krzemowe FEC, ponieważ ich szerokość pasma wzbronionego praktycznie pokrywa się z optymalną szerokością pasma wzbronionego dla półprzewodnikowych przetworników energii słonecznej = 1,4 eV. W przypadku krzemu wskaźnik ten = 1,1 eV.

Ze względu na wyższy poziom absorpcji promieniowania słonecznego, determinowany bezpośrednimi przejściami optycznymi w GaAs, na ich bazie można uzyskać wysokosprawne ogniwa PV przy znacznie mniejszej grubości ogniwa PV w porównaniu z krzemem. W zasadzie wystarczy mieć grubość GFP 5-6 mikronów, aby uzyskać wydajność rzędu co najmniej 20%, natomiast grubość elementów krzemowych nie może być mniejsza niż 50-100 mikronów bez zauważalnego spadku ich wydajności . Ta okoliczność pozwala liczyć na powstanie lekkiej folii HFP, której produkcja będzie wymagała stosunkowo niewielkiej ilości materiału wyjściowego, zwłaszcza jeśli jako podłoże można zastosować nie GaA, ale inny materiał, na przykład syntetyczny szafir (Al2O3 ).

GFC mają również korzystniejsze właściwości użytkowe pod względem wymagań dla konwerterów SES w porównaniu z krzemowymi ogniwami fotowoltaicznymi. Zatem w szczególności możliwość uzyskania małych początkowych wartości prądów nasycenia zwrotnego w złączach p-n ze względu na dużą przerwę wzbronioną pozwala zminimalizować wielkość ujemnych gradientów temperatury wydajności i optymalnej mocy HFP, a ponadto , znacznie poszerzają obszar liniowej zależności tego ostatniego od gęstości strumienia świetlnego . Eksperymentalne zależności wydajności HFP od temperatury wskazują, że podniesienie temperatury równowagi tych ostatnich do 150-180°C nie prowadzi do istotnego spadku ich sprawności i optymalnej mocy właściwej. Jednocześnie dla krzemowych ogniw słonecznych wzrost temperatury powyżej 60-70°C jest niemal krytyczny – sprawność spada o połowę.

Ze względu na odporność na wysokie temperatury ogniwa słoneczne z arsenku galu mogą być stosowane jako koncentratory promieniowania słonecznego. Temperatura robocza HFP na bazie GaAs sięga 180°C, co jest już temperaturą roboczą dla silników cieplnych i turbin parowych. Zatem do 30% sprawności wewnętrznej HFP z arsenku galu (w temperaturze 150°C) możemy dodać sprawność silnika cieplnego wykorzystującego ciepło odpadowe cieczy chłodzącej fotokomórki. Dlatego też ogólna sprawność instalacji, która wykorzystuje także trzeci cykl niskotemperaturowego odbioru ciepła z chłodziwa za turbiną do ogrzewania pomieszczeń, może przekroczyć nawet 50-60%.

Ponadto HFC na bazie GaAs są znacznie mniej podatne na zniszczenie przez wysokoenergetyczne przepływy protonów i elektronów niż krzemowe FEC ze względu na wysoki poziom absorpcji światła w GaAs, a także mały wymagany czas życia i długość dyfuzji nośników mniejszościowych. Ponadto eksperymenty wykazały, że znaczna część defektów radiacyjnych w HFP na bazie GaAs zanika po ich obróbce cieplnej (wyżarzaniu) w temperaturze zaledwie około 150-180°C. Jeżeli GaAs HFC stale pracują w temperaturze rzędu 150°C, to stopień radiacyjnej degradacji ich sprawności będzie przez cały okres aktywnej pracy stacji stosunkowo niewielki (dotyczy to zwłaszcza kosmicznych elektrowni słonecznych, dla których ważna jest niska waga i rozmiar FEC oraz wysoka wydajność).

Ogólnie możemy stwierdzić, że energia, masa i właściwości operacyjne HFC na bazie GaAs są bardziej zgodne z wymaganiami SES i SCES (przestrzeń) niż właściwości krzemowych FEC. Jednak krzem jest materiałem znacznie bardziej dostępnym i powszechnie stosowanym niż arsenek galu. Krzem jest zjawiskiem powszechnym w przyrodzie, a podaż surowców do tworzenia na jego bazie ogniw słonecznych jest niemal nieograniczona. Technologia produkcji krzemowych ogniw słonecznych jest już dobrze ugruntowana i stale udoskonalana. Istnieje realna perspektywa obniżenia kosztów krzemowych ogniw słonecznych o jeden do dwóch rzędów wielkości dzięki wprowadzeniu nowych zautomatyzowanych metod produkcji, które umożliwiają w szczególności produkcję taśm krzemowych, wielkopowierzchniowych ogniw słonecznych itp.

Ceny krzemowych baterii fotowoltaicznych spadły w ciągu 25 lat 20–30 razy z 70–100 dolarów/wat w latach siedemdziesiątych do 3,5 dolara/wat w 2000 r. i nadal spadają. Na Zachodzie rewolucję w energetyce można spodziewać się, gdy ceny przekroczą granicę 3 dolarów. Według niektórych obliczeń może to nastąpić już w 2002 r., A dla Rosji, przy obecnych taryfach energetycznych, ten moment nadejdzie za cenę 1 wata energii słonecznej 0,3-0,5 dolara, czyli o rząd wielkości niższą cena. Rolę odgrywają tu wszystkie czynniki razem wzięte: cła, klimat, szerokości geograficzne oraz zdolność państwa do ustalania realnych cen i dokonywania długoterminowych inwestycji. W rzeczywistych konstrukcjach z heterozłączami sprawność sięga dziś ponad 30%, a w jednorodnych półprzewodnikach, takich jak krzem monokrystaliczny - do 18%. Średnia wydajność ogniw słonecznych opartych na krzemie monokrystalicznym wynosi dziś około 12%, choć sięga 18%. To głównie krzemowe SB, które można dzisiaj zobaczyć na dachach domów na całym świecie.

W przeciwieństwie do krzemu gal jest materiałem bardzo rzadkim, co ogranicza możliwość wytwarzania HFP na bazie GaAs w ilościach wymaganych do powszechnego stosowania.

Gal wydobywany jest głównie z boksytu, ale rozważa się także możliwość jego pozyskania z popiołów węglowych i wody morskiej. Największe zasoby galu znajdują się w wodzie morskiej, ale jego stężenie jest w nim bardzo niskie, a wydajność odzysku szacuje się na zaledwie 1%, w związku z czym koszty produkcji prawdopodobnie będą zaporowe. Technologia wytwarzania HFP na bazie GaAs metodami epitaksji ciekłej i gazowej (ukierunkowany wzrost jednego monokryształu na powierzchni drugiego (na podłożu)) nie została jeszcze rozwinięta w takim stopniu jak technologia wytwarzania krzemowy PVS, w wyniku czego koszt HFP jest obecnie znacznie wyższy (według zamówień) od kosztu krzemowych ogniw słonecznych.

W statkach kosmicznych, gdzie głównym źródłem prądu są panele słoneczne i gdzie bardzo ważne są wyraźne proporcje masy, rozmiaru i wydajności, głównym materiałem słońca jest. Bateria to oczywiście arsenek galu. Zdolność tego związku w ogniwach słonecznych do nieutraty wydajności po podgrzaniu przez 3-5 razy skoncentrowane promieniowanie słoneczne jest bardzo ważna dla kosmicznych elektrowni słonecznych, co odpowiednio zmniejsza zapotrzebowanie na rzadki gal. Dodatkowa rezerwa pozwalająca na oszczędność galu wynika z zastosowania syntetycznego szafiru (Al2O3) zamiast GaA jako substratu HFP.

Koszt HFP podczas ich masowej produkcji w oparciu o ulepszoną technologię również prawdopodobnie ulegnie znacznemu obniżeniu i ogólnie rzecz biorąc, koszt układu konwersji systemu konwersji mocy SES opartego na GaAs HFP może być całkiem porównywalny z kosztem krzemowego oparty na systemie. Zatem obecnie trudno jest całkowicie jednoznacznie preferować jeden z dwóch rozważanych materiałów półprzewodnikowych – krzem lub arsenek galu i dopiero dalszy rozwój technologii ich produkcji pokaże, która opcja będzie bardziej racjonalna w przypadku naziemnych i kosmicznych – opartej na energii słonecznej. O ile SB wytwarzają prąd stały, pojawia się zadanie przekształcenia go w przemysłowy prąd przemienny 50 Hz, 220 V. Specjalna klasa urządzeń - falowniki - doskonale radzi sobie z tym zadaniem.

Obliczanie instalacji fotowoltaicznej.

Energię ogniw słonecznych można wykorzystać w taki sam sposób, jak energię innych źródeł zasilania, z tą różnicą, że ogniwa słoneczne nie boją się zwarć. Każdy z nich ma za zadanie utrzymać określoną ilość prądu przy danym napięciu. Jednak w przeciwieństwie do innych źródeł prądu, charakterystyka ogniwa słonecznego zależy od ilości światła padającego na jego powierzchnię. Na przykład przychodząca chmura może zmniejszyć moc wyjściową o ponad 50%. Dodatkowo odchylenia warunków technologicznych pociągają za sobą rozrzut parametrów wyjściowych elementów jednej partii. W konsekwencji chęć zapewnienia maksymalnej wydajności konwerterów fotowoltaicznych powoduje konieczność sortowania ogniw według prądu wyjściowego. Jako wyraźny przykład „kiepskiej owcy rozpieszczającej całe stado” można podać: włożenie odcinka rury o znacznie mniejszej średnicy w szczelinę rury wodociągowej o dużej średnicy, w efekcie przepływ wody będzie gwałtownie spadać. Coś podobnego dzieje się w łańcuchu ogniw słonecznych o heterogenicznych parametrach wyjściowych.

Krzemowe ogniwa słoneczne są urządzeniami nieliniowymi i ich zachowania nie da się opisać prostym wzorem, takim jak prawo Ohma. Zamiast tego, aby wyjaśnić charakterystykę elementu, można użyć rodziny łatwych do zrozumienia krzywych - charakterystyki prądowo-napięciowej (CVC)

Napięcie w obwodzie otwartym generowane przez jeden element różni się nieznacznie w zależności od elementu z tej samej partii oraz od producenta i wynosi około 0,6 V. Wartość ta nie zależy od wielkości elementu. Inaczej jest z prądem. Zależy to od natężenia światła i wielkości elementu, która odnosi się do jego powierzchni.

Element o średnicy 100-100 mm jest 100 razy większy od elementu o średnicy 10-10 mm i dlatego przy tym samym oświetleniu będzie wytwarzał prąd 100 razy większy.

Ładując element, można wykreślić zależność mocy wyjściowej od napięcia, uzyskując coś podobnego do pokazanego na rys. 2

Moc szczytowa odpowiada napięciu około 0,47 V. Zatem, aby prawidłowo ocenić jakość ogniwa słonecznego, a także porównywać elementy między sobą w tych samych warunkach, należy go tak obciążyć aby napięcie wyjściowe było równe 0,47 V. Po wybraniu elementów solarnych do pracy należy je zlutować. Elementy szeregowe wyposażone są w siatki odbierające prąd, które przeznaczone są do lutowania do nich przewodów.

Baterie można układać w dowolną kombinację. Najprostsza bateria to łańcuch elementów połączonych szeregowo. Można także łączyć łańcuchy równolegle uzyskując tzw. połączenie szeregowo-równoległe.

Ważnym punktem w działaniu ogniw słonecznych jest ich reżim temperaturowy. Gdy element nagrzeje się o jeden stopień powyżej 25°C, traci napięcie o wartości 0,002 V, tj. 0,4%/stopień. Rysunek 3 przedstawia rodzinę krzywych charakterystycznych prądu i napięcia dla temperatur 25°C i 60°C.

W jasny, słoneczny dzień elementy nagrzewają się do 60-70°C, tracąc 0,07-0,09 V każdy. Jest to główna przyczyna spadku wydajności ogniw słonecznych, co prowadzi do spadku napięcia generowanego przez element. Sprawność konwencjonalnego ogniwa słonecznego waha się obecnie w granicach 10-16%. Oznacza to, że element o średnicy 100-100 mm w standardowych warunkach może generować 1-1,6 W.

Wszystkie systemy fotowoltaiczne można podzielić na dwa typy: autonomiczne i podłączone do sieci elektrycznej. Stacje drugiego typu oddają nadwyżkę energii do sieci, która służy jako rezerwa na wypadek wewnętrznego niedoboru energii.

System autonomiczny zazwyczaj składa się z zestawu modułów słonecznych umieszczonych na konstrukcji nośnej lub na dachu, akumulatora, kontrolera ładowania/rozładowania akumulatora i kabli łączących. Moduły fotowoltaiczne są głównym komponentem do budowy systemów fotowoltaicznych. Mogą być wykonane z dowolnym napięciem wyjściowym.

Po wybraniu ogniw słonecznych należy je przylutować. Elementy szeregowe wyposażone są w siatki zbierające prąd, umożliwiające przylutowanie do nich przewodów. Baterie mogą być wykonane w dowolnej kombinacji.

Najprostsza bateria to łańcuch elementów połączonych szeregowo.

Łańcuchy te można połączyć równolegle uzyskując tzw. połączenie szeregowo-równoległe. Równolegle można łączyć tylko łańcuchy (linie) o identycznym napięciu, a ich prądy sumują się zgodnie z prawem Kirchhoffa.

Do użytku naziemnego służą zwykle do ładowania akumulatorów o napięciu nominalnym 12 V. W tym przypadku z reguły 36 ogniw słonecznych łączy się szeregowo i uszczelnia poprzez laminowanie na szkle, PCB lub aluminium. Elementy umieszczone są pomiędzy dwiema warstwami folii uszczelniającej, bez szczeliny powietrznej. Technologia laminowania próżniowego pozwala spełnić ten wymóg. W przypadku szczeliny powietrznej pomiędzy szkłem ochronnym a elementem straty odbicia i absorpcji osiągnęłyby 20-30% w porównaniu do 12% bez szczeliny powietrznej.

Przedstawiono parametry elektryczne ogniwa słonecznego oraz pojedynczego ogniwa słonecznego w postaci krzywej prąd-napięcie w warunkach standardowych (Standardowe Warunki Testowe), tj. przy promieniowaniu słonecznym 1000 W/m2 i temperaturze - 25°C i widmo słoneczne na szerokości geograficznej 45 ° (AM1,5).

Punkt przecięcia krzywej z osią napięcia nazywany jest napięciem jałowym - Uxx, punkt przecięcia z osią prądu nazywany jest prądem zwarciowym Is.

Maksymalna moc modułu jest zdefiniowana jako najwyższa moc w ramach STC (Standardowe Warunki Testowe). Napięcie odpowiadające maksymalnej mocy nazywane jest maksymalnym napięciem mocy (napięcie robocze - Up), a odpowiadający mu prąd nazywany jest maksymalnym prądem mocy (prąd roboczy - Ip).

Napięcie pracy modułu składającego się z 36 elementów będzie zatem wynosić około 16...17 V (0,45...0,47 V na element) w temperaturze 25o C.

Ten margines napięciowy w porównaniu do napięcia pełnego naładowania akumulatora (14,4 V) jest niezbędny, aby zrekompensować straty w regulatorze ładowania-rozładowania akumulatora (o czym będzie mowa później), a przede wszystkim – spadek napięcia roboczego akumulatora moduł, gdy moduł jest podgrzewany przez promieniowanie: Współczynnik temperaturowy dla krzemu wynosi około minus 0,4%/stopień (0,002 V/stopień dla jednego elementu).

Należy zauważyć, że napięcie jałowe modułu w niewielkim stopniu zależy od oświetlenia, natomiast prąd zwarciowy, a co za tym idzie i prąd roboczy, jest wprost proporcjonalny do oświetlenia.

Zatem po nagrzaniu w rzeczywistych warunkach pracy moduły nagrzewają się do temperatury 60-70°C, co odpowiada przesunięciu punktu napięcia roboczego, np. dla modułu o napięciu roboczym 17 V - od 17 V do 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V na element).

W oparciu o powyższe należy podejść do obliczenia liczby połączonych szeregowo elementów modułu.Jeśli odbiorca potrzebuje napięcia przemiennego, do tego dodaje się falownik-przetwornik napięcia stałego na napięcie przemienne zestaw.

Obliczenie FES oznacza określenie mocy znamionowej modułów, ich liczby, schematu połączeń; wybór typu, warunków pracy i pojemności akumulatora; moc falownika i kontrolera ładowania-rozładowania; określenie parametrów kabla łączącego.

Przede wszystkim należy określić całkowitą moc wszystkich podłączonych jednocześnie odbiorców. Moc każdego z nich mierzona jest w watach i jest podana w kartach katalogowych produktu. Na tym etapie można już wybrać moc falownika, która powinna być nie mniejsza niż 1,25 razy większa od obliczonej. Należy pamiętać, że tak sprytne urządzenie, jak lodówka kompresorowa, w momencie uruchomienia zużywa energię 7 razy większą niż moc znamionowa.

Nominalny zakres falowników wynosi 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. W przypadku stacji o dużej mocy (ponad 1 kW) napięcie stacji wybiera się co najmniej 48 V, ponieważ Przy wyższych mocach falowniki działają lepiej przy wyższych napięciach początkowych.

Kolejnym etapem jest określenie pojemności akumulatora. Pojemność akumulatora dobierana jest ze standardowego zakresu pojemności, zaokrąglonego w stronę większą od obliczonej. Obliczoną pojemność uzyskuje się po prostu dzieląc całkowitą moc odbiorców przez iloczyn napięcia akumulatora i głębokości rozładowania akumulatora w ułamkach.

Na przykład, jeśli całkowita moc odbiorców wynosi 1000 Wh dziennie, a dopuszczalna głębokość rozładowania akumulatora 12 V wynosi 50%, wówczas obliczona pojemność będzie wynosić:

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

Obliczając pojemność akumulatora w trybie w pełni autonomicznym, należy wziąć pod uwagę obecność w przyrodzie pochmurnych dni, podczas których akumulator musi zapewnić działanie odbiorców.

Ostatnim etapem jest określenie całkowitej mocy i ilości modułów fotowoltaicznych. Do obliczeń będzie wymagana wartość promieniowania słonecznego, która zostanie przyjęta w okresie pracy stacji, gdy promieniowanie słoneczne jest minimalne. W przypadku użytkowania całorocznego jest to grudzień.

Sekcja „meteorologia” podaje miesięczne i całkowite roczne wartości promieniowania słonecznego dla głównych regionów Rosji, a także gradację według różnych orientacji płaszczyzny odbierającej światło.

Biorąc stąd wartość promieniowania słonecznego dla interesującego nas okresu i dzieląc ją przez 1000, otrzymujemy tzw. liczbę pikogodzin, czyli warunkowy czas, w którym słońce świeci z intensywnością 1000 W/ m2.

Na przykład dla szerokości geograficznej Moskwy i lipca wartość promieniowania słonecznego wynosi 167 kWh/m2, gdy miejsce jest zorientowane na południe pod kątem 40° do horyzontu. Oznacza to, że w lipcu słońce świeci średnio przez 167 godzin (5,5 godziny na dobę) z natężeniem 1000 W/m2, choć maksymalne oświetlenie w południe na obszarze zorientowanym prostopadle do strumienia świetlnego nie przekracza 700-750 W /m2.

Moduł o mocy Pw w wybranym okresie będzie generował następującą ilość energii: W = k Pw E/1000, gdzie E to wartość nasłonecznienia dla wybranego okresu, współczynnik k równy 0,5 latem i 0,7 zimą.

Współczynnik ten koryguje utratę mocy ogniw słonecznych podczas ogrzewania na słońcu, a także uwzględnia nachylone padanie promieni na powierzchnię modułów w ciągu dnia.

Różnica w jego wartości zimą i latem wynika z mniejszego nagrzewania się elementów zimą.

Na podstawie całkowitej mocy pobranej energii oraz powyższego wzoru łatwo jest obliczyć całkowitą moc modułów. I wiedząc o tym, po prostu dzieląc to przez moc jednego modułu, otrzymujemy liczbę modułów.

Tworząc elektrownię słoneczną, zdecydowanie zaleca się maksymalne zmniejszenie mocy odbiorców. Na przykład używaj (jeśli to możliwe) wyłącznie lamp fluorescencyjnych jako oświetlaczy. Takie lampy, zużywające 5 razy mniej, zapewniają strumień świetlny równoważny strumieniowi świetlnemu żarówki.

W przypadku małych systemów fotowoltaicznych zaleca się montaż modułów na wsporniku obrotowym, aby zapewnić optymalny obrót względem padających promieni. Zwiększy to przepustowość stacji o 20-30%.

Trochę o falownikach.

Falowniki lub przetworniki prądu stałego na prąd przemienny przeznaczone są do zapewnienia wysokiej jakości zasilania różnych urządzeń i urządzeń w warunkach braku lub złej jakości sieci zasilającej prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz i napięciu 220 V, różne sytuacje awaryjne itp.

Falownik jest impulsową przetwornicą prądu stałego o napięciu 12 (24, 48, 60) V na prąd przemienny o stabilizowanym napięciu 220 V i częstotliwości 50 Hz. Większość falowników posiada na wyjściu STABILIZOWANE napięcie sinusoidalne, co pozwala na wykorzystanie ich do zasilania niemal każdego sprzętu i urządzeń.

Strukturalnie falownik wykonany jest w postaci jednostki stacjonarnej. Na przednim panelu falownika znajduje się przełącznik pracy produktu oraz wskaźnik pracy konwertera. Na tylnym panelu produktu znajdują się wyprowadzenia (zaciski) umożliwiające podłączenie źródła prądu stałego np. akumulatora, bolec uziemiający obudowy falownika, otwór z miejscem na montaż wentylatora (chłodzenie) oraz trójbiegunowe gniazdo Euro do podłączenia obciążenia.

Stabilizowane napięcie na wyjściu falownika pozwala zapewnić wysokiej jakości zasilanie odbiornika w przypadku zmiany/wahań napięcia wejściowego, np. przy rozładowaniu akumulatora, czy wahaniach prądu pobieranego przez obciążenie. Gwarantowana separacja galwaniczna źródła prądu stałego na wejściu oraz obwodu prądu przemiennego z obciążeniem na wyjściu falownika pozwala nie podejmować dodatkowych działań zapewniających bezpieczeństwo pracy w przypadku korzystania z różnych źródeł prądu stałego lub dowolnego sprzętu elektrycznego. Wymuszone chłodzenie części mocy oraz niski poziom hałasu podczas pracy falownika pozwalają z jednej strony zapewnić dobre właściwości wagowe i gabarytowe produktu, z drugiej strony przy tego rodzaju chłodzeniu nie powodują niedogodności podczas pracy w postaci hałasu.

• Wbudowany panel sterowania z wyświetlaczem elektronicznym
• Potencjometr pojemnościowy umożliwiający precyzyjną regulację
• Listwa znormalizowana z przyłączem pinowym: WE WY STEROW
• Wbudowane hamowanie wsteczne
• Chłodnica z wentylatorem
• Estetyczne zapięcie
• Zasilanie 230 V - 400 V
• Przeciążenie 150% - 60 s
• Czas narastania 0,01...1000 sekund
• Wbudowany filtr elektryczny klasy A
• Temperatura pracy: -5°C - do +45°C
• Port RS485
• Regulacja kroku częstotliwości: 0,01 Hz - 1 kHz
• Stopień ochrony IP20

Funkcjonalnie zapewnia: kontrolę wzrostu i spadku częstotliwości, przeciążenia i przegrzania.

Skuteczne przekształcanie wolnych promieni słonecznych w energię, którą można wykorzystać do zasilania domów i innych obiektów, to marzenie wielu apologetów zielonej energii.

Ale zasada działania baterii słonecznej i jej wydajność są takie, że o wysokiej wydajności takich systemów nie trzeba jeszcze mówić. Byłoby miło mieć własne dodatkowe źródło prądu. Czyż nie? Co więcej, nawet dzisiaj w Rosji za pomocą paneli słonecznych znaczna liczba prywatnych gospodarstw domowych jest z powodzeniem zaopatrywana w „darmową” energię elektryczną. Nadal nie wiesz od czego zacząć?

Poniżej opowiemy Ci o budowie i zasadzie działania panelu fotowoltaicznego, dowiesz się od czego zależy wydajność układu fotowoltaicznego. A filmy zamieszczone w artykule pomogą Ci zmontować panel słoneczny z fotokomórek własnymi rękami.

W temacie „energii słonecznej” jest sporo niuansów i zamieszania. Początkującym często na początku trudno jest zrozumieć wszystkie nieznane terminy. Ale bez tego nierozsądne jest angażowanie się w energię słoneczną, zakup sprzętu do wytwarzania prądu „słonecznego”.

Nieświadomie można nie tylko wybrać niewłaściwy panel, ale także po prostu go spalić przy podłączaniu lub wydobyć z niego zbyt mało energii.

Galeria obrazów

Maksymalny zwrot z panelu słonecznego można uzyskać jedynie wiedząc, jak on działa, z jakich komponentów i zespołów się składa oraz jak wszystko jest prawidłowo podłączone

Drugi niuans to koncepcja terminu „bateria słoneczna”. Zazwyczaj słowo „bateria” odnosi się do pewnego rodzaju elektrycznego urządzenia magazynującego. Lub przychodzi na myśl banalny grzejnik. Jednak w przypadku baterii słonecznych sytuacja jest diametralnie inna. Nie gromadzą niczego w sobie.

Ryc.9. Ogniwo słoneczne jako przykład konwersji fotowoltaicznej

Przetworniki fotoprzewodzące

Przetworniki te przekształcają zmianę wielkości mierzonej na zmianę rezystancji użytego materiału (rys. 8). Chociaż użyte materiały to półprzewodniki, przetworniki fotoprzewodzące nie zawsze są półprzewodnikami, ponieważ nie mają przejść między różnymi typami półprzewodników. Takie konwertery nazywane są pasywnymi, tj. potrzebują zewnętrznego zasilania. Często ich nazwa charakteryzuje rodzaj zastosowanej konwersji, na przykład rezystory światłoczułe.

Opór materiału jest funkcją gęstości większości nośników ładunku, a ponieważ gęstość wzrasta wraz ze wzrostem natężenia promieniowania, wzrasta przewodność. Ponieważ przewodność jest odwrotnie proporcjonalna do rezystancji, można stwierdzić, że rezystancja jest odwrotną funkcją intensywności napromieniowania. Wartość rezystancji przy pełnym napromieniowaniu wynosi zazwyczaj 100-200 omów, a w całkowitej ciemności rezystancja ta jest równa megaomom. Materiały najczęściej stosowane w konstrukcji rezystorów zależnych od światła to siarczek kadmu lub selenek kadmu.

Ogniwa słoneczne

Ogniwa słoneczne to przetworniki fotowoltaiczne, które przekształcają emitowaną energię elektromagnetyczną w energię elektryczną, czyli tzw. zmiana mierzonej wartości promieniowania przekształcana jest na zmianę napięcia wyjściowego (rys. 9).

Konstrukcja konwertera obejmuje warstwę światłoczułego materiału o wysokiej rezystancji umieszczoną pomiędzy dwiema elektrodami przewodzącymi. Jedna z elektrod wykonana jest z przezroczystego materiału, przez który promieniowanie przechodzi i uderza w materiał światłoczuły. Przy pełnym oświetleniu jeden element wytwarza napięcie wyjściowe między elektrodami o wartości około 0,5 V.

Z reguły jako warstwę fotoelektryczną stosuje się fotokomórki zaworowe półprzewodnikowe (fotokomórki z warstwą blokującą) (rys. 9). Patrzeć: Projekty fotokomórek zaworowych

Jednym z najważniejszych parametrów fotokomórki wykorzystywanej jako źródło energii elektrycznej jest współczynnik sprawności (sprawność). Sprawność ogniwa słonecznego to stosunek maksymalnej mocy prądu elektrycznego, jaką można uzyskać z fotokomórki, do mocy promieniowania świetlnego padającego na fotokomórkę. Im większa wydajność, tym większa część widma światła uczestniczy w generowaniu nośników prądu. Jednym ze sposobów na zwiększenie wydajności ogniw słonecznych jest tworzenie fotokomórek o jak najszerszej charakterystyce widmowej. Fotokomórki wykonane z krzemu mają sprawność do 12%. Fotokomórki na bazie związków arsenku galu charakteryzują się wydajnością sięgającą 20%.