Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmenin fotoelektrik yöntemi, fotoelektrik etki olgusuna dayanmaktadır - güneş radyasyonu kuantumunun etkisi altında radyasyon alıcısındaki iletim elektronlarının salınması.

Bu etki, radyasyon kuantumunun enerjisinin olduğu yarı iletken malzemelerde kullanılır. hnörneğin şunu oluşturur: P–N- fotoakım geçişi

Eğer=eN e,

Nerede hayır– Kavşakta potansiyel bir fark yaratan elektronların sayısı, bunun sonucunda da kavşakta ters yönde bir kaçak akım akacaktır. BEN, sabit olan fotoakıma eşittir.

Fotoelektrik dönüşüm sırasındaki enerji kayıpları, fotonların eksik kullanılmasının yanı sıra halihazırda üretilmiş iletim elektronlarının saçılması, direnci ve rekombinasyonundan kaynaklanmaktadır.

Endüstriyel olarak üretilen en yaygın güneş pilleri (fotoseller), levha şeklindeki silikon hücrelerdir. Güneş pillerinin verimliliğini artırmak ve maliyetini azaltmak için geliştirilmekte olan başka tip ve tasarımlar da vardır.

Bir güneş pilinin kalınlığı, güneş ışınımını absorbe etme yeteneğine bağlıdır. Yeterince uzun dalga boyuna sahip güneş ışınımını absorbe etmeye başladıkları ve bunun önemli bir kısmını elektriğe dönüştürebildikleri için silikon, galyum arsenit vb. yarı iletken malzemeler kullanılmaktadır. Güneş ışınımının çeşitli yarı iletken malzemeler tarafından emilmesi, plakaların kalınlığı 100 ila 1 mikron veya daha az olduğunda en yüksek değerine ulaşır.

Güneş pillerinin kalınlığının azaltılması, malzeme tüketimini ve bunların üretim maliyetini önemli ölçüde azaltabilir.

Yarı iletken malzemelerin soğurma kapasitesindeki farklılıklar atomik yapılarındaki farklılıklarla açıklanmaktadır.

Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme verimliliği yüksek değildir. Silikon elemanlar için %12...14'ten fazla olmamalıdır.

Güneş pillerinin verimliliğini arttırmak için güneş pilinin ön kısmında yansıma önleyici kaplamalar kullanılmaktadır. Sonuç olarak, iletilen güneş ışınımının oranı artar. Kaplamasız elemanlar için yansıma kayıpları %30'a ulaşır.

Son zamanlarda güneş pillerinin üretiminde çok sayıda yeni malzeme kullanılmaya başlandı. Bunlardan biri, kristal silikonun aksine düzenli bir yapıya sahip olmayan amorf silikondur. Amorf bir yapı için foton soğurulması ve iletim bandına geçme olasılığı daha yüksektir. Bu nedenle emme kapasitesi daha yüksektir. Galyum arsenit (GaAs) da kullanılır. GaAs bazlı elemanların teorik verimliliği %25'e ulaşabilir; gerçek elemanların verimliliği ise yaklaşık %16'dır.

İnce film güneş pilleri teknolojisi geliştirilmektedir. Bu elemanların laboratuvar koşullarındaki verimleri %16'yı geçmese de maliyeti daha düşüktür. Bu özellikle seri üretimde maliyet ve malzeme tüketimini azaltmak açısından değerlidir. ABD ve Japonya'da, amorf silikon üzerinde 0,1 ... 0,4 m2 alana sahip,% 8 ... 9 verimle ince film elemanları üretilmektedir. En yaygın ince film güneş pili, %10 verimliliğe sahip kadmiyum sülfür (CdS) hücreleridir.

İnce film güneş pili teknolojisindeki bir diğer gelişme ise çok katmanlı hücrelerin üretimi olmuştur. Güneş radyasyonu spektrumunun çoğunu kapsamanıza izin verirler.

Güneş pilinin aktif malzemesi oldukça pahalıdır. Daha verimli kullanım için güneş ışınımı, konsantre sistemler kullanılarak güneş pilinin yüzeyinde toplanır (Şekil 2.7).

Radyasyon akısı arttıkça, aktif veya pasif soğutma kullanılarak sıcaklığı ortam hava sıcaklığı seviyesinde tutulursa elemanın özellikleri bozulmaz.

Merceklere (genellikle düz Fresnel mercekler), aynalara, toplam iç yansıma prizmalarına vb. dayalı çok sayıda yoğunlaştırma sistemi vardır. Güneş pillerinin veya modüllerinin oldukça eşit olmayan bir şekilde ışınlanması meydana gelirse, bu durum güneş pilinin tahrip olmasına yol açabilir.

Yoğunlaştırıcı sistemlerin kullanılması, yoğunlaştırıcı elemanların güneş pillerinden daha ucuz olması nedeniyle güneş enerjisi santrallerinin maliyetini düşürmeyi mümkün kılar.

Güneş pillerinin fiyatı düştükçe büyük fotovoltaik tesislerin inşası mümkün hale geldi. 1984 yılına gelindiğinde ABD, İtalya, Japonya, Suudi Arabistan ve Almanya'da kapasiteleri 200 kW'tan 7 MW'a kadar değişen nispeten büyük 14 güneş enerjisi santrali inşa edildi.

Güneş fotovoltaik kurulumunun birçok avantajı vardır. Temiz ve tükenmez bir enerji kaynağı kullanır, hareketli parçaları yoktur ve bu nedenle bakım personelinin sürekli denetimini gerektirmez. Güneş pilleri büyük miktarlarda üretilebilir ve bu da maliyetlerini düşürecektir.

Güneş pilleri güneş modüllerinden monte edilir. Aynı zamanda aynı enerji dönüşüm verimliliğine ve aynı üretim teknolojisine sahip bu cihazların tip ve boyutlarında geniş bir seçim yelpazesi bulunmaktadır.

Güneş enerjisinin temini periyodik olduğundan hem güneş enerjisi hem de doğal gaz kullanan hibrit santrallerde fotovoltaik sistemlerin yer alması en akılcıdır. Bu istasyonlarda yeni nesil gaz türbinleri kullanılabilir. Fotovoltaik paneller ve dizel jeneratörlerden oluşan hibrit düşük güçlü enerji santralleri zaten güvenilir enerji tedarikçileridir.

İş bitimi -

Bu konu şu bölüme aittir:

Endüstriyel Isıl Güç Mühendisliği Bölümü.. Nivie Gribanov A.. dersinin ders notları.. metin basılmıştır..

Bu konuyla ilgili ek materyale ihtiyacınız varsa veya aradığınızı bulamadıysanız, çalışma veritabanımızdaki aramayı kullanmanızı öneririz:

Alınan materyalle ne yapacağız:

Bu materyal sizin için yararlı olduysa, onu sosyal ağlardaki sayfanıza kaydedebilirsiniz:

Bu bölümdeki tüm konular:

Gezegenin enerji kaynakları
Enerji kaynakları, enerjinin yoğunlaştığı maddi nesnelerdir. Enerji kabaca türlere ayrılabilir: kimyasal, mekanik, termal, elektrik vb. Temel enerji kaynaklarına

Enerji kaynaklarını kullanma olanakları
Termonükleer enerji Termonükleer enerji, helyumun döteryumdan füzyonundan elde edilen enerjidir. Döteryum, çekirdeği bir proton ve bir nötrodan oluşan bir hidrojen atomudur

Rusya'nın enerji kaynakları
Rusya'nın büyük enerji kaynakları ve özellikle kömür rezervleri var. Teorik potansiyel, özel olarak doğrulanmamış yakıt rezervleridir. Teknik güç

Termik santrallerde enerji üretimi
Dünyanın birçok ülkesinde olduğu gibi Rusya'da da elektriğin büyük bir kısmı fosil yakıt yakan termik santrallerde üretiliyor. Termik santrallerde yakıt olarak katı, sıvı ve gaz yakıtlar kullanılmaktadır.

Değişken güç tüketimi programı
Elektrik tüketimi gün boyu aynı değildir. Yoğun saatlerde keskin bir şekilde artar ve geceleri önemli ölçüde azalır. Bu nedenle güç sisteminin p cinsinden çalışan baz kapasitelere sahip olması gerekir.

Elektrik iletim sorunları
Elektrik enerjisinin uzun mesafelere iletilmesi, enerji hatlarında kayıplara neden olur. Elektrik enerjisi, akım ve elektrik gücünün çarpımına eşit miktarda kaybolur. tel direnci. Tel ile iletilen

Gaz türbini ve kombine çevrim gaz santralleri (GTU ve CCGT)
Şu anda, gaz türbini ve kombine çevrim gaz santralleri, termal ve elektrik enerjisi üretimine yönelik tüm tesisler arasında en umut verici olanıdır. Bu tesislerin birçok ülkede kullanımı

Manyetohidrodinamik birimler (MGDU)
Manyetohidrodinamik jeneratöre dayalı enerji santrallerinin kullanımı da umut vericidir. MGDU döngüsü bir gaz türbini ünitesiyle aynıdır; yani çalışma sıvısının adyabatik sıkıştırılması ve genleşmesi, izobarik besleme

Yakıt hücreleri
Günümüzde yakıt hücreleri elektrik üretmek amacıyla elektrik enerjisi üretmek amacıyla kullanılmaktadır. Bu elementler kimyasal reaksiyonların enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Kimyasal

Isı pompaları
HP, ters termodinamik döngüde çalışan ve ısıyı düşük potansiyelli bir enerji kaynağından yüksek potansiyelli bir enerji kaynağına aktarmak için tasarlanmış cihazlara denir. İkinci Kanun

Rusya enerji sektöründe küçük ölçekli enerjinin yeri
Geleneksel olmayan enerji kaynakları arasında küçük hidroelektrik santraller, dizel enerji santralleri, gaz pistonlu enerji santralleri ve küçük nükleer enerji santralleri bulunmaktadır. Güvenilir güç kaynağının garantörü, ısı

Gaz türbini ve kombine çevrim küçük enerji santralleri
Düşük güçlü gaz türbinli enerji santralleri blok-konteyner prensibine göre üretilen kompakt tesislerdir. Gaz türbinli enerji santralinin bileşenleri yalnızca elektrik üretmeyi değil aynı zamanda

Mini CHP
Şu anda, birkaç on kW'tan birkaç kW'a kadar değişen güce sahip küçük tesisler kullanılarak kombine ısı ve güç üretimine ilgi artmaktadır.

Dizel enerji santralleri
Rusya'nın elektrik hatları kurmanın kârsız olduğu bazı ulaşılması zor bölgelerinde, bu bölgelerin nüfusuna enerji sağlamak için benzinli ve dizel enerji santralleri kullanılıyor. Uzak kuzey bölgelerinde sayı

Gaz pistonlu enerji santralleri
Çünkü Motorin fiyatlarının sürekli artması nedeniyle dizel yakıt kullanan dizel enerji santrallerinin kullanımı pahalı hale geliyor ve bu nedenle şu anda motorinlere büyük ilgi var.

Küçük hibrit enerji santralleri
Güç kaynağı sistemlerinin güvenilirliğini ve verimliliğini artırmak için çok işlevli enerji komplekslerinin (MEC) oluşturulması gerekir. Ayrıca küçük hibrit elektrik temelinde kompleksler oluşturulabilir.

Küçük nükleer santraller
Son dönemde düşük güçlü nükleer santrallere büyük ilgi var. Bunlar blok tasarımlı istasyonlardır; ekipmanı birleştirmenize ve otonom olarak çalışmanıza olanak tanırlar. Bu tür istasyonlar güvenilir olabilir

Küçük hidroelektrik
Küçük hidroelektrik enerjinin geliştirilmesinde lider Çin'dir. Çin'deki küçük hidroelektrik santrallerin (SHPP) kapasitesi 20 bin MW'ı aşıyor. Hindistan'da SHPP'lerin kurulu gücü 200 MW'ı aşıyor. SHPP'lerin yaygın kullanımı

Yenilenemeyen temel enerji kaynakları er ya da geç tükenecektir. Şu anda gezegenin enerji tüketiminin yaklaşık %80'i fosil yakıtlardan geliyor. Bu şekilde kullanıldığında organik olarak

Hidroelektrik
Bir hidroelektrik santral, enerji kaynağı olarak su akışının enerjisini kullanır. Hidroelektrik santraller nehirler üzerine barajlar ve rezervuarlar inşa edilerek kurulur. Hidroelektrik santrallerinde verimli enerji üretimi için 2 ana faktör gereklidir

Güneş enerjisi
Güneş enerjisi, muazzam miktarda enerjinin eşlik ettiği hafif elementler döteryum, trityum ve helyumun çekirdekleri arasındaki füzyon reaksiyonunun sonucudur. hariç tüm enerjinin kaynağıdır.

Güneş enerjisini termal enerjiye dönüştürmek
Güneş enerjisi bir kollektör kullanılarak termal enerjiye dönüştürülebilir. Tüm güneş kollektörleri yüzeysel veya hacimsel bir ısı emiciye sahiptir. Isı kollektörden uzaklaştırılabilir veya depolanabilir

Güneş enerjisinin termodinamik olarak elektrik enerjisine dönüşümü
Güneş enerjisinin termodinamik olarak elektrik enerjisine dönüştürülmesine yönelik yöntemler, ısı motoru çevrimlerine dayanmaktadır. Güneş enerjisi santrallerinde güneş enerjisi elektriğe dönüştürülür (

Rusya'da güneş enerjisinin gelişimi için beklentiler
1985 yılında Kırım bölgesinin Shchelkino köyünde SSCB'nin ilk kule tipi güneş enerjisi santrali olan 5 MW elektrik kapasiteli SES-5 işletmeye alındı. 1600 heliostat (yassı taneler)

Rüzgar enerjisini kullanmanın özellikleri
Rüzgârın ana nedeni, dünya yüzeyinin güneş tarafından eşit olmayan şekilde ısıtılmasıdır. Rüzgar enerjisi çok güçlüdür. Dünya Meteoroloji Örgütü'nün tahminlerine göre rüzgar enerjisi rezervleri

Rüzgar türbinleri kullanılarak elektrik üretimi
Rüzgar türbinlerini elektrik üretmek için kullanmak, rüzgar enerjisini dönüştürmenin en verimli yoludur. Rüzgar türbinleri tasarlanırken aşağıdaki özelliklerin dikkate alınması gerekir:

Rusya'da rüzgar enerjisi
Rusya'nın rüzgar enerjisi potansiyelinin 40 milyar kW olduğu tahmin ediliyor. Yılda h elektrik, yani yaklaşık 20.000 MW. Yıllık ortalama rüzgar hızı 6 m/s olan 1 MW kapasiteli bir rüzgar santrali 1

Jeotermal Enerjinin Kökeni
Dünyanın çekirdeğinde sıcaklık 4000 °C'ye ulaşır. Isının katı kara kayalarından ve okyanus tabanından salınması esas olarak termal iletkenlik nedeniyle ve daha az sıklıkla erimiş sıvının konvektif akışları şeklinde meydana gelir.

Jeotermal Isı Çıkarma Tekniği
Jeotermal enerji kaynakları beş türe ayrılabilir. 1. Jeotermal kuru buhar kaynakları. Oldukça nadirdirler, ancak jeotermal enerji santrallerinin inşası için en uygun olanlardır. 2. Kaynak

Elektrik
Jeotermal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi, bir jeotermal enerji santralinde termodinamik döngü kullanılarak makine yöntemi kullanılarak gerçekleştirilir. Jeotermal enerji santrallerinin yapımında en çok kullanılanlar

Isıtma ve sıcak su temini için jeotermal ısının kullanım ölçeği daha önemlidir. Termal suyun kalitesine ve sıcaklığına bağlı olarak çeşitli jeotermal planlar mevcuttur.

Jeotermal enerjinin çevreye etkisi
GeoTPP'nin ana çevresel etkisi saha geliştirme, binaların inşası ve buhar boru hatları ile ilişkilidir. GeoTES'e gerekli miktarda buhar veya sıcak su sağlamak için

Rusya'da jeotermal enerji
Rusya'da, günde 240 × 103 m3'ten fazla termal su rezervi elde etmeyi mümkün kılan 47 jeotermal yatak araştırılmıştır. termal sular ve buhar hidrotermleri üretir

Sıcak basmaların nedenleri
Gelgitler, Dünya'nın Ay ve Güneş ile çekimsel etkileşiminin sonucudur. Ay'ın dünya yüzeyindeki belirli bir noktadaki gelgit kuvveti, yerçekimi kuvvetinin yerel değerindeki fark olarak belirlenir.

Gelgit enerji santralleri (TPP)
Gelgit sırasında maksimum yüksekliğe çıkan su, bir barajla denizden ayrılabilir. Sonuç olarak bir gelgit havuzu oluşur. içinden geçerek elde edilebilecek maksimum güç

PES'in çevreye etkisi
Gelgit enerji santrallerinin olası çevresel etkileri, barajın okyanus tarafındaki gelgit aralıklarının artmasıyla ilişkilendirilebilir. Bu, arazi ve yapıların su basmasına yol açabilir

Rusya'da gelgit enerjisi
Rusya'da Arktik ve Pasifik okyanuslarının kıyı bölgelerinde gelgit enerjisinin kullanımı büyük sermaye yatırımlarıyla ilişkilidir. Ülkemizin ilk enerji santrali Kislogubskaya TPP

Dalga enerjisi
Deniz dalgalarından büyük miktarda enerji elde edebilirsiniz. Dalgaların derin sularda taşıdıkları güç, genliklerinin ve periyodlarının karesiyle orantılıdır. En çok ilgi çekenler uzun olanlardır

Okyanus akıntılarının enerjisi
Dünya Okyanusunun tüm su alanı yüzey ve derin akıntılarla geçmektedir. Bu akımların kinetik enerji rezervi yaklaşık 7,2∙1012 kW∙h/yıldır. Bu enerji yardımıyla

Okyanus Termal Enerji Kaynakları
Dünyadaki okyanuslar doğal bir güneş enerjisi biriktiricisidir. Tropikal denizlerde, suyun birkaç metre kalınlığındaki üst katmanının sıcaklığı 25...30 °C'dir. 1000 m derinlikte su sıcaklığı

Okyanus termik santralleri
Okyanustaki sıcaklık değişimlerinin enerjisini dönüştürmek için çeşitli cihaz türleri önerilmektedir. Termodinamiği kullanarak termal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi en ilgi çekici olanıdır.

Biyokütle kaynakları
"Biyokütle" terimi, enerji veya teknik açıdan uygun yakıtlar üretmek için kullanılabilen bitki veya hayvan kökenli organik maddeyi ifade eder.

Biyokütlenin termokimyasal dönüşümü (yanma, piroliz, gazlaştırma)
Odun atıklarının geri dönüştürülmesinin ana yönlerinden biri, termal ve elektrik enerjisi üretmek için kullanılmasıdır. Odun atıklarından enerji elde etmek için ana teknolojiler şunlardır:

Biyoteknolojik biyokütle dönüşümü
Biyoteknolojik dönüşümde nem içeriği en az %75 olan çeşitli organik atıklar kullanılır. Biyokütlenin biyolojik dönüşümü iki ana yönde gelişiyor: 1) çiftlik

Biyoenerjinin çevresel sorunları
Biyoenerji tesisleri her türlü atıktan kaynaklanan çevre kirliliğinin azaltılmasına yardımcı olur. Anaerobik fermantasyon yalnızca hayvan atıklarını kullanmanın etkili bir yolu değildir

Belediye katı atıklarının (MSW) özellikleri
Her yıl yüzbinlerce ton evsel atık şehir çöplüklerinde birikiyor. Modern bir şehrin sakini başına yıllık katı atık üretimi 250...700 kg'dır. Gelişmiş ülkelerde bu değer e

Katı atıkların düzenli depolama alanlarında geri dönüştürülmesi
Şu anda, belediye katı atıkları genellikle daha sonra mineralizasyon beklentisiyle düzenli depolama alanlarına taşınmaktadır. Katı atıkların bertaraf edilmeden önce sıkıştırılması tavsiye edilir. Bu sadece azaltmakla kalmıyor

Katı atıkların kompostlanması
Katı atık bertarafının ikinci yönü organik gübreye (kompost) dönüştürülmesidir. Toplam evsel atık kütlesinin %60'a kadarı kompostlaştırılabilir. Kompostlama işlemi dönüşümlü olarak gerçekleştirilir

Katı atıkların özel atık yakma tesislerinde yakılması
Ekonomik olarak gelişmiş ülkelerde giderek artan miktarda katı atık endüstriyel yöntemlerle işlenmektedir. Bunlardan en etkili olanı termaldir. Atık hacmini neredeyse 10 kat azaltmanıza olanak tanır

Yenilenebilir enerji türlerinin çoğu - hidroelektrik, dünya okyanuslarından elde edilen mekanik ve termal enerji, rüzgar ve jeotermal enerji - ya sınırlı potansiyele ya da yaygın kullanımda önemli zorluklara sahiptir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının çoğunun toplam potansiyeli, enerji tüketimini mevcut seviyelerden yalnızca bir miktar artıracaktır. Ancak başka bir enerji kaynağı daha var: Güneş. Spektral sınıf 2'nin bir yıldızı olan sarı bir cüce olan Güneş, tüm ana parametrelerinde oldukça ortalama bir yıldızdır: kütle, yarıçap, sıcaklık ve mutlak büyüklük. Ancak bu yıldızın benzersiz bir özelliği var: “bizim yıldızımız” ve insanlık tüm varlığını bu ortalama yıldıza borçlu. Yıldızımız Dünya'ya yaklaşık 10 17 W'luk bir güç sağlıyor - gezegenimizin Güneş'e bakan tarafını sürekli aydınlatan 12,7 bin km çapındaki "güneş tavşanının" gücü işte böyle. Güneş'in zirvede olduğu güney enlemlerinde deniz seviyesinde güneş ışığının yoğunluğu 1 kW/m2'dir. Güneş, güneş enerjisini dönüştürmek için yüksek verimli yöntemler geliştirerek, hızla artan enerji ihtiyacını yüzlerce yıl boyunca karşılayabilir.

Güneş enerjisinin geniş ölçekli kullanımına karşı olanların argümanları esas olarak aşağıdaki argümanlara dayanmaktadır:

1. Güneş ışınımının özgül gücü küçüktür ve güneş enerjisinin büyük ölçekli dönüşümü çok geniş alanlar gerektirecektir.

2. Güneş enerjisini dönüştürmek çok pahalıdır ve neredeyse gerçekçi olmayan malzeme ve işçilik maliyetleri gerektirir.

Peki, küresel enerji bütçesinde elektriğin önemli bir payını üretmek için dönüştürücü sistemlerin kapladığı dünya alanı ne kadar büyük olacak? Açıkçası bu alan kullanılan dönüştürücü sistemlerin verimliliğine bağlıdır. Yarı iletken fotoselleri kullanarak güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik dönüştürücülerin verimliliğini değerlendirmek için, belirli bir element tarafından üretilen elektrik gücünün enerjiye oranı olarak tanımlanan bir fotoselin performans katsayısı (verimlilik) kavramını tanıtıyoruz. fotoselin yüzeyine gelen güneş ışınının gücü. Bu nedenle, %10'a eşit bir güneş enerjisi dönüştürücü verimliliği ile (yer bazlı enerji ihtiyaçları için seri endüstriyel üretimde yaygın olarak kullanılan silikon fotosellerin tipik verimlilik değerleri), 10 12 W elektrik üretmek için gerekli olacaktır. 200 km kenarlı kareye eşit foto dönüştürücülerle 4 * 10 10 m2'lik bir alanı kaplayın. Bu durumda, güneş ışınımının yoğunluğu 250 W/m 2 olarak alınır; bu, güney enlemleri için yıl boyunca tipik ortalama değere karşılık gelir. Yani, güneş ışınımının "düşük yoğunluğu", büyük ölçekli güneş enerjisinin geliştirilmesine engel değildir.

Yukarıdaki düşünceler oldukça ikna edici bir argümandır: Güneş enerjisini yarın kullanabilmek için, güneş enerjisini dönüştürme sorununun bugün çözülmesi gerekir. Etkili bir reaktörün (Güneş) doğanın kendisi tarafından yaratıldığı ve milyonlarca yıl boyunca güvenilir ve emniyetli bir çalışma için bir kaynak sağladığı ve bizim bu sorunu, kontrollü termonükleer füzyonun enerji sorunlarının çözümü çerçevesinde en azından şaka yollu bir şekilde ele almak mümkündür. Görev yalnızca yer tabanlı bir dönüştürücü trafo merkezi geliştirmektir. Son zamanlarda dünyada güneş enerjisi alanında kapsamlı araştırmalar yürütülmekte olup, yakın gelecekte bu enerji üretme yönteminin ekonomik olarak haklı gösterilebileceğini ve geniş uygulama alanı bulabileceğini göstermiştir.

Rusya doğal kaynaklar açısından zengindir. Önemli fosil yakıt rezervlerimiz var - kömür, petrol, gaz. Ancak güneş enerjisinin kullanımı da ülkemiz açısından büyük önem taşıyor. Rusya topraklarının önemli bir kısmı yüksek enlemlerde yer almasına rağmen ülkemizin bazı çok geniş güney bölgeleri güneş enerjisinin yaygın kullanımı için oldukça uygun bir iklime sahiptir.

Güneş enerjisinin kullanımı, Dünya'nın ekvator kuşağı ülkelerinde ve yüksek düzeyde güneş enerjisi ile karakterize edilen bu kuşağa yakın bölgelerde daha da büyük bir potansiyele sahiptir. Böylece Orta Asya'nın bazı bölgelerinde doğrudan güneş ışınımının süresi yılda 3000 saate ulaşır ve güneş enerjisinin yatay bir yüzeye yıllık gelişi 1500 - 1850 kW saat / m2'dir.

Şu anda güneş enerjisi dönüşümü alanındaki ana çalışma alanları şunlardır:

- doğrudan termal ısıtma (termal enerjinin alınması) ve termodinamik dönüşüm (güneş enerjisinin ısıya ara dönüşümü ile elektrik enerjisinin alınması);

- Güneş enerjisinin fotoelektrik dönüşümü.

Doğrudan termal ısıtma, güneş enerjisini dönüştürmenin en basit yöntemidir ve Rusya'nın güney bölgelerinde ve ekvator ülkelerinde güneş enerjisiyle ısıtma tesisatlarında, sıcak su temininde, bina soğutmasında, suyun tuzdan arındırılmasında vb. yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş ısısı kullanan tesislerin temeli, güneş ışınımını soğuran düz güneş kolektörleridir. Emici ile temas halinde olan su veya başka bir sıvı, bir pompa veya doğal sirkülasyon kullanılarak ısıtılır ve buradan uzaklaştırılır. Isıtılan sıvı daha sonra gerektiğinde tüketildiği yerden depoya girer. Bu cihaz evsel sıcak su tedarik sistemlerini andırmaktadır.

Elektrik, kullanılması ve iletilmesi en uygun enerji türüdür. Bu nedenle, araştırmacıların, güneş enerjisinin ısıya ara dönüşümünü ve ardından elektriğe dönüştürülmesini kullanan güneş enerjisi santrallerinin geliştirilmesine ve oluşturulmasına olan ilgisi anlaşılabilir.

Şu anda dünyada en yaygın güneş enerjisi termik santralleri iki tiptedir: 1) çok sayıda düz ayna kullanılarak gerçekleştirilen, güneş enerjisinin tek bir güneş alıcısı üzerinde yoğunlaştığı kule tipi; 2) odak noktasında termal alıcıların ve düşük güçlü dönüştürücülerin bulunduğu dağınık paraboloid ve parabolik silindir sistemleri.

2. GÜNEŞ ENERJİSİNİN GELİŞTİRİLMESİ

70'li yılların sonlarında ve 80'li yılların başında, dünyanın farklı ülkelerinde 0,5 ila 10 MW güç seviyesine sahip kule tipinde yedi pilot güneş enerjisi santrali (GES) inşa edildi. 10 MW kapasiteli en büyük güneş enerjisi santrali (Solar One) Kaliforniya'da inşa edildi. Bu güneş enerjisi santrallerinin tümü aynı prensip üzerine inşa edilmiştir: Güneşi takip eden, zemin seviyesine yerleştirilen heliostat aynalarından oluşan bir alan, güneş ışınlarını oldukça yüksek bir kulenin tepesine monte edilen bir alıcıya yansıtır. Alıcı, özünde, ortalama parametrelere sahip su buharının üretildiği ve daha sonra standart bir buhar türbinine gönderildiği bir güneş enerjisi kazanıdır.

İkinci proje olan PHOEBUS kule güneş enerjisi santrali ise bir Alman konsorsiyumu tarafından hayata geçiriliyor. Proje, atmosferik havanın ısıtılacağı ve daha sonra su buharının üretildiği bir buhar kazanına gönderileceği hacimsel bir alıcıya sahip, 30 MW kapasiteli bir gösteri hibrit (güneş-yakıt) güneş enerjisi santralinin oluşturulmasını içeriyor. Rankine çevriminde çalışır. Alıcıdan kazana giden hava yolu üzerinde, gündüz saatlerinde belirtilen gücü koruyacak şekilde miktarı ayarlanan doğal gazı yakacak bir brülör bulunmaktadır. Hesaplamalar, örneğin yıllık 6,5 GJ/m2 güneş ışınımı için (Ukrayna'nın güney bölgelerine benzer şekilde), toplam 160 bin m2 heliostat yüzeyine sahip bu güneş enerjisi santralinin 290,2 GW alacağını gösteriyor. *saat/yıl güneş enerjisi ve yakıtla sağlanan enerji miktarı 176,0 GWh/yıl olacaktır. Güneş enerjisi santrali aynı zamanda yıllık ortalama %18,8 verimlilikle 87,9 GWh elektrik üretecek. Bu göstergelerle bir güneş enerjisi santralinde üretilen elektriğin maliyetinin, fosil yakıt kullanan termik santraller seviyesinde olması beklenebilir.

LUZ şirketi, 80'li yılların ortalarından bu yana, Güney Kaliforniya'da, ünite kapasiteleri ilk güneş enerjisi santralinden diğerine 13,8'den 80 MW'a yükselen, parabolik silindirik yoğunlaştırıcılara (PCC) sahip dokuz güneş enerjisi santrali kurdu ve ticari işletmeye aldı. . Bu güneş enerjisi santrallerinin toplam kapasitesi 350 MW'a ulaştı. Bu SES'lerde, ilk SES'ten sonrakilere geçişte artan açıklıklı PCC'ler kullanıldı. Yoğunlaştırıcılar, güneşi tek bir eksende takip ederek, güneş ışınımını boşaltılmış tüpler içindeki boru şeklindeki alıcılara odaklar. Alıcının içinde yüksek sıcaklıkta bir soğutma sıvısı akar, bu sıvı 380°C'ye kadar ısınır ve daha sonra su buharının ısısını buhar jeneratörüne aktarır. Bu güneş enerjisi santrallerinin tasarımı aynı zamanda belirli miktarda doğal gazın bir buhar jeneratöründe yakılarak ek pik elektrik üretilmesini ve azalan güneş ışığının telafi edilmesini de sağlar.

Bu güneş enerjisi santralleri, Amerika Birleşik Devletleri'nde güneş enerjisi santrallerinin başa baş çalışmasına izin veren yasaların olduğu bir dönemde oluşturulmuş ve işletilmiştir. Bu yasaların 80'li yılların sonunda sona ermesi, LUZ şirketinin iflas etmesine ve bu tip yeni güneş enerjisi santrallerinin inşaatının durdurulmasına yol açtı.

İnşa edilen dokuz güneş enerjisi santralinden beşini (3'ten 7'ye) işleten KJC (Kramer Junction Company), bu güneş enerjisi santrallerinin verimliliğini artırmayı, işletme maliyetlerini düşürmeyi ve ekonomik açıdan cazip hale getirmeyi kendine görev edindi. yeni koşullarda. Bu program şu anda başarıyla uygulanmaktadır.

İsviçre güneş enerjisi kullanımında liderlerden biri haline geldi. 1997 verilerine göre burada 1 ila 1.000 kW gücünde fotoelektrik dönüştürücülere dayalı yaklaşık 2.600 güneş enerjisi tesisi inşa edildi. “Enerji bağımsız bir İsviçre için” sloganıyla yürütülen “Solar-91” adı verilen program, bugün enerjisinin yüzde 70'inden fazlasını ithal eden bir ülkenin çevre sorunlarının çözümüne ve enerji bağımsızlığına önemli katkı sağlıyor. 2-3 kW kapasiteli bir güneş enerjisi santrali çoğunlukla binaların çatılarına ve cephelerine kurulur. Bu kurulum yılda ortalama 2.000 kWh elektrik üretiyor ve bu da ortalama bir İsviçre evinin evsel ihtiyaçlarını karşılamaya yetiyor. Büyük şirketler üretim binalarının çatılarına 300 kW'a kadar kapasiteye sahip güneş enerjisi tesisatları kuruyor. Böyle bir istasyon işletmenin elektrik ihtiyacının %50-60'ını karşılamaktadır.

Enerji hatları döşemenin kârsız olduğu Alp dağlık bölgelerinde yüksek güçlü güneş enerjisi santralleri de inşa ediliyor. İşletme deneyimi, Sun'ın halihazırda ülkedeki tüm konut binalarının ihtiyaçlarını karşılayabildiğini göstermektedir. Evlerin çatılarında ve duvarlarında, otoyolların gürültü bariyerlerinde, ulaşım ve endüstriyel yapılarda bulunan güneş enerjisi tesislerinin yerleştirilmesi, pahalı tarım arazileri gerektirmez. Grimsel köyü yakınlarındaki otonom güneş enerjisi tesisi, karayolu tünelinin 24 saat aydınlatılması için elektrik sağlıyor. Shur kasabası yakınlarında gürültü bariyerinin 700 metrelik kısmına kurulan güneş panelleri yılda 100 kW elektrik sağlıyor.

Güneş enerjisi kullanımına ilişkin modern konsept, Arisdorf'taki pencere camı fabrikasının binalarının inşası sırasında en iyi şekilde ifade edildi; burada toplam 50 kW güce sahip güneş panellerine, tasarım sırasında zemin ve cephe elemanları olarak ek bir rol verildi. Güneş enerjisi dönüştürücülerinin verimliliği güçlü ısıtmayla gözle görülür şekilde azalır, bu nedenle dışarıdaki havayı pompalamak için panellerin altına havalandırma boru hatları döşenir. İdari binanın güney ve batı cephelerinde güneşte parıldayan, ağa elektrik sağlayan koyu mavi foto dönüştürücüler dekoratif kaplama görevi görüyor.

Gelişmekte olan ülkelerde, bireysel evlere elektrik sağlamak için, uzak köylerde PMT'ler sayesinde televizyonları vb. kullanabileceğiniz kültür merkezlerini donatmak için nispeten küçük tesisler kullanılıyor. Bu durumda, gelen elektriğin maliyeti değil. ön planda, ancak sosyal etki. Bu ülkelerde fotovoltaiklerin tanıtımına yönelik programlar uluslararası kuruluşlar tarafından aktif olarak desteklenmektedir; Dünya Bankası, öne sürdüğü “Güneş Girişimi” temelinde bunların finansmanında yer almaktadır. Örneğin Kenya'da son 5 yılda 20.000 kırsal ev fotovoltaik yardımıyla elektriklendi. 1986 - 1992 yılları arasında Hindistan'da fotomultiplierlerin tanıtımı için büyük bir program uygulanıyor. Kırsal alanlarda PMT'lerin kurulumu için 690 milyon Rupi harcandı.

Sanayileşmiş ülkelerde fotoçoğaltıcıların aktif uygulaması çeşitli faktörlerle açıklanmaktadır. Öncelikle PMT'ler çevre üzerindeki zararlı etkileri azaltabilecek çevre dostu kaynaklar olarak değerlendirilmektedir. İkincisi, PMT'lerin özel evlerde kullanılması enerji özerkliğini arttırır ve merkezi güç kaynağında olası kesintiler durumunda sahibini korur.

3. GÜNEŞ ENERJİSİNİN FOTOVOLTAİK DÖNÜŞÜMÜ

Yarı iletkenlerde fotoelektrik etkinin etki mekanizmasının anlaşılmasına önemli bir katkı, Rusya Bilimler Akademisi Fiziko-Teknik Enstitüsü'nün (PTI) kurucusu Akademisyen A.F. Ioffe. B.T. daha otuzlu yıllarda güneş enerjisinde yarı iletken fotoselleri kullanmayı hayal ediyordu. Kolomiets ve Yu.P. Maslakovets, Fizikoteknik Enstitüsü'nde o zaman için rekor bir verimle = %1 ile kükürt-talyum güneş pilleri üretti.

Güneş panellerinin enerji amaçlı geniş pratik kullanımı, 1958'de yapay Dünya uydularının (Sovyet Sputnik-3 ve Amerikan Avangard-1) fırlatılmasıyla başladı. O zamandan bu yana, 35 yıldan fazla bir süredir yarı iletken güneş pilleri, uzay araçları ve Salyut ve Mir gibi büyük yörünge istasyonları için ana ve neredeyse tek enerji kaynağı olmuştur. Uzay uygulamaları için güneş pilleri alanında bilim adamlarının biriktirdiği kapsamlı altyapı, yer tabanlı fotovoltaik enerji üzerine çalışmaların geliştirilmesini de mümkün kıldı.

Fotosellerin temeli, farklı iletim mekanizmalarına sahip iki yarı iletkenin arayüzünde ortaya çıkan p-n eklemli bir yarı iletken yapıdır. Bu terminolojinin İngilizce pozitif (pozitif) ve negatif (negatif) kelimelerinden kaynaklandığını unutmayın. Yarı iletkene eklenen yabancı maddelerin türü değiştirilerek çeşitli iletkenlik türleri elde edilir. Örneğin, Periyodik Tablo D.I.'nin III. Grubunun atomları. Silikonun kristal kafesine yerleştirilen Mendeleev, ikinci deliğe (pozitif) iletkenlik ve grup V safsızlıklarını - elektronik (negatif) verir. P veya n yarı iletkenlerin teması, aralarında bir güneş fotoselinin çalışmasında son derece önemli bir rol oynayan bir temas elektrik alanının oluşmasına yol açar. Temas potansiyeli farkının ortaya çıkmasının nedenini açıklayalım. P ve n tipi yarıiletkenler tek bir kristalde birleştirildiğinde, n-tipi yarıiletkenden p-tipi yarıiletkene doğru bir elektron difüzyon akışı ve bunun tersine, p-tipi yarıiletkenden n-yarıiletkene bir delik akışı ortaya çıkar. Bu işlem sonucunda p-tipi yarı iletkenin p-n eklemine bitişik kısmı negatif yüklenecek ve n-tipi yarı iletkenin p-n eklemine bitişik kısmı ise tam tersine pozitif yük kazanacaktır. Böylece, p-n bağlantısının yakınında, elektronların ve deliklerin difüzyon sürecini engelleyen çift yüklü bir katman oluşur. Gerçekten de difüzyon, n bölgesinden p bölgesine doğru bir elektron akışı yaratma eğilimindedir ve yüklü katmanın alanı ise tam tersine elektronları n bölgesine geri döndürür. Benzer şekilde, pn eklemindeki alan, deliklerin p-bölgesinden n-bölgesine yayılmasını engeller. Zıt yönlerde etki eden iki işlemin bir sonucu olarak (akım taşıyıcılarının bir elektrik alanındaki difüzyonu ve hareketi), sabit bir denge durumu oluşturulur: sınırda, elektronların n-yarı iletkenden nüfuz etmesini önleyen yüklü bir katman belirir ve p-yarı iletkendeki delikler. Başka bir deyişle, p-n bağlantısı bölgesinde, n-yarı iletkenden gelen elektronların ve p-yarı iletkenden gelen deliklerin aşılması için belirli bir enerji harcaması gereken bir enerji (potansiyel) bariyeri ortaya çıkar. Doğrultucularda, transistörlerde ve diğer yarı iletken cihazlarda yaygın olarak kullanılan pn ekleminin elektriksel özelliklerini anlatmaya durmadan, fotosellerdeki pn ekleminin çalışmasını ele alalım.

Işık bir yarı iletkende emildiğinde elektron-delik çiftleri uyarılır. Homojen bir yarı iletkende fotouyarılma, elektronları ve delikleri uzayda ayırmadan sadece enerjisini arttırır, yani elektronlar ve delikler “enerji uzayında” ayrılır ancak geometrik uzayda birbirine yakın kalır. Akım taşıyıcılarının ayrılması ve fotoelektromotor kuvvetin (fotoEMF) ortaya çıkması için ek bir kuvvetin mevcut olması gerekir. Dengesiz taşıyıcıların en etkili ayrılması tam olarak pn eklemi bölgesinde meydana gelir. P-n bağlantısının yakınında oluşturulan "azınlık" taşıyıcılar (n-yarı iletkendeki delikler ve p-yarı iletkendeki elektronlar), p-n bağlantı noktasına yayılır, p-n bağlantı alanı tarafından alınır ve yarı iletkenin içine atılır. Çoğunluk taşıyıcıları: Elektronlar n-tipi yarı iletkende, delikler ise p-tipi yarı iletkende lokalize olacaktır. Sonuç olarak, p tipi yarı iletken aşırı pozitif yük alırken, n tipi yarı iletken negatif yük alır. Fotoselin n ve p bölgeleri arasında potansiyel bir fark (fotoEMF) meydana gelir. FotoEMF'nin polaritesi, bariyer yüksekliğini azaltan ve deliklerin p bölgesinden n bölgesine ve elektronların n bölgesinden p bölgesine enjeksiyonunu destekleyen p-n bağlantısının "ileri" eğilimine karşılık gelir. . Bu iki zıt mekanizmanın (ışık etkisi altında akım taşıyıcılarının birikmesi ve potansiyel bariyerin yüksekliğinin azalması nedeniyle bunların dışarı akması) farklı ışık yoğunluklarında eyleminin bir sonucu olarak, farklı fotovoltaj değerleri oluşturulur. Bu durumda geniş bir aydınlatma aralığında fotovoltajın değeri, ışık yoğunluğunun logaritması ile orantılı olarak artar. Çok yüksek ışık yoğunluğunda potansiyel bariyer neredeyse sıfıra ulaştığında fotoEMF değeri “doygunluğa” ulaşır ve aydınlatılmayan p-n kavşağında bariyerin yüksekliğine eşit olur. Doğrudan ve 100-1000 kata kadar konsantre güneş radyasyonuna maruz kaldığında, fotoEMF değeri, p-n bağlantısının temas potansiyeli farkının %50-85'i kadardır.

Böylece, p-n bağlantısının p ve n bölgelerinin kontaklarında meydana gelen fotovoltajın oluşma süreci dikkate alınır. Aydınlatılmış bir pn bağlantısı kısa devre olduğunda, elektrik devresinde aydınlatma yoğunluğu ve ışık tarafından üretilen elektron-delik çiftlerinin sayısıyla orantılı bir akım akacaktır. Güneş piliyle çalışan hesap makinesi gibi bir yük elektrik devresine bağlandığında devredeki akım bir miktar azalacaktır. Tipik olarak güneş pili devresindeki faydalı yükün elektrik direnci, bu yüke iletilen maksimum elektrik gücünü elde edecek şekilde seçilir.

Güneş fotoseli, silikon gibi yarı iletken bir malzemeden yapılmış bir levhadan yapılır. Plakada p ve n tipi iletkenliğe sahip bölgeler oluşturulur. Bu alanları oluşturmaya yönelik yöntemler arasında örneğin safsızlık difüzyon yöntemi veya bir yarı iletkenin diğerinin üzerinde büyütülmesi yöntemi yer alır. Daha sonra alt ve üst elektrik kontakları yapılır, alt kontak sağlam, üst kontak ise tarak yapısı (nispeten geniş bir akım toplama barası ile birbirine bağlanan ince şeritler) şeklinde yapılır.

Güneş pili üretiminin ana malzemesi silikondur. Yarı iletken silikon ve buna dayalı fotosel üretme teknolojisi, en gelişmiş endüstriyel teknoloji olan mikroelektronikte geliştirilen yöntemlere dayanmaktadır. Görünen o ki silikon, doğada en çok incelenen materyallerden biri ve aynı zamanda oksijenden sonra en çok bulunan ikinci materyal. İlk güneş pillerinin yaklaşık kırk yıl önce silikondan yapıldığı göz önüne alındığında, bu malzemenin güneş fotovoltaik enerji programlarında ilk sırada yer alması doğaldır. Monokristalin silikondan yapılan fotoseller, nispeten ucuz bir yarı iletken malzeme kullanmanın avantajlarını, ondan elde edilen cihazların yüksek parametreleriyle birleştirir.

Yakın zamana kadar, hem karasal hem de uzay uygulamalarına yönelik güneş pilleri nispeten pahalı monokristalin silikon temelinde yapılıyordu. Başlangıçtaki silikonun maliyetinin düşürülmesi, külçelerden levha üretimi için yüksek performanslı yöntemlerin geliştirilmesi ve güneş pillerinin üretimi için ileri teknolojiler, bunlara dayalı olarak yer tabanlı güneş pillerinin maliyetinin birkaç kez azaltılmasını mümkün kılmıştır. Güneş enerjisinin maliyetini daha da azaltmak için ana çalışma alanları şunlardır: şerit, polikristalin silikon dahil ucuza dayalı elementlerin elde edilmesi; amorf silikon ve diğer yarı iletken malzemelere dayanan ucuz ince film elemanlarının geliştirilmesi; Yüksek verimli silikon bazlı elementler ve nispeten yeni bir alüminyum-galyum-arsenik yarı iletken malzeme kullanarak konsantre güneş ışınımının dönüştürülmesi.

Fresnel lens, bir tarafı düz, diğer tarafında dışbükey bir lensin profilini tekrarlayan eşmerkezli halkalar şeklinde bir profil bulunan 1-3 mm kalınlığında pleksiglastan yapılmış bir plakadır. Fresnel lensler geleneksel dışbükey lenslerden önemli ölçüde daha ucuzdur ve 2 - 3 bin "güneş" konsantrasyon derecesi sağlar.

Son yıllarda dünyada yoğunlaştırılmış güneş ışınımı altında çalışan silikon güneş pillerinin geliştirilmesinde önemli ilerlemeler kaydedildi. Verimi >%25 olan silikon elementleri, Dünya yüzeyinde 20 - 50 "güneş" konsantrasyon derecesindeki ışınlama koşulları altında oluşturulmuştur. İlk olarak Fiziko-Teknik Enstitüsü'nde oluşturulan yarı iletken malzeme alüminyum-galyum-arsenik bazlı fotoseller, önemli ölçüde daha yüksek konsantrasyon derecelerine izin verir. A.F. 1969'da Ioffe. Bu tür güneş pillerinde 1000 katına kadar konsantrasyon seviyelerinde >%25 verim değerleri elde edilmektedir. Bu tür elemanların yüksek maliyetine rağmen, alanlarındaki önemli (1000 kata kadar) azalma nedeniyle, üretilen elektriğin maliyetine katkıları, yüksek derecede güneş ışınımı konsantrasyonunda belirleyici değildir. Fotosel maliyetinin güneş enerjisi kurulumunun toplam maliyetine önemli bir katkı yapmaması durumu, eğer verim artışı sağlayacaksa fotoselin karmaşıklaştırılmasını ve maliyetinin arttırılmasını haklı kılmaktadır. Bu, verimlilikte önemli bir artış elde etmeyi mümkün kılan kademeli güneş pillerinin geliştirilmesine gösterilen ilgiyi açıklamaktadır. Kademeli bir güneş pilinde, güneş spektrumu, örneğin görünür ve kızılötesi olmak üzere iki (veya daha fazla) parçaya bölünür ve bunların her biri, farklı malzemelerden yapılmış fotoseller kullanılarak dönüştürülür. Bu durumda güneş ışınımı kuantumunun enerji kayıpları azalır. Örneğin iki elemanlı kaskadlarda teorik verim değeri %40'ı aşmaktadır.

Fotoelektrik dönüştürücü türleri

Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek için enerji açısından en verimli cihazlar (çünkü bu doğrudan, tek aşamalı bir enerji geçişidir) yarı iletken fotovoltaik dönüştürücülerdir (PVC'ler). 300-350 Kelvin ve güneş T ~ 6000 K düzeyindeki PV hücrelerinin denge sıcaklık özelliğinde, maksimum teorik verimlilikleri >%90'dır. Bu, geri dönüşü olmayan enerji kayıplarını azaltmayı amaçlayan dönüştürücünün yapısının ve parametrelerinin optimize edilmesinin bir sonucu olarak, pratik verimliliği %50 veya daha fazlasına çıkarmanın oldukça mümkün olacağı anlamına gelir (laboratuvarlarda %40'lık bir verimlilik halihazırda mevcuttur) elde edilmiştir).

Güneş enerjisinin fotovoltaik dönüşümü alanındaki teorik araştırmalar ve pratik gelişmeler, güneş pilleri ile bu kadar yüksek verim değerlerine ulaşmanın mümkün olduğunu doğrulamış ve bu hedefe ulaşmanın ana yollarını belirlemiştir.

PV hücrelerde enerji dönüşümü, güneş ışınımına maruz kaldığında homojen olmayan yarı iletken yapılarda meydana gelen fotovoltaik etkiye dayanmaktadır. PV yapısının heterojenliği, aynı yarı iletkeni farklı safsızlıklarla katkılayarak (p-n bağlantıları oluşturarak) veya farklı yarı iletkenleri eşit olmayan bant aralıklarıyla bağlayarak (atomdan elektron çıkarma enerjisi (heteroeklemler oluşturarak) veya kimyasal maddeyi değiştirerek) elde edilebilir. bileşim yarı iletken, bant aralığının bir gradyanının ortaya çıkmasına neden olur (kademeli aralıklı yapıların oluşturulması). Yukarıdaki yöntemlerin çeşitli kombinasyonları da mümkündür. Dönüşüm verimliliği, homojen olmayan yarı iletken yapının elektriksel özelliklerine ve güneş pilinin optik özelliklerine bağlıdır; bunların arasında en önemli rol, güneş ışığı ile ışınlandığında yarı iletkenlerdeki dahili fotoelektrik etkinin neden olduğu fotoiletkenlik tarafından oynanır. PV hücrelerin çalışma prensibi, modern güneş ve uzay enerjisinde yaygın olarak kullanılan p-n eklemli dönüştürücüler örneği kullanılarak açıklanabilir. Bir elektron-delik bağlantısı, belirli bir tür iletkenliğe (yani, p- veya n-tipi) sahip tek kristalli yarı iletken malzemeden bir levhanın bir safsızlıkla katkılanmasıyla oluşturulur ve zıt iletkenliğe sahip bir yüzey katmanının oluşturulması sağlanır. tip.

Bu katmandaki katkı konsantrasyonunun, orada bulunan ana serbest yük taşıyıcılarını nötralize etmek ve zıt işaretli iletkenlik oluşturmak için baz (orijinal tek kristal) malzemedeki katkı konsantrasyonundan önemli ölçüde daha yüksek olması gerekir. N ve p katmanlarının sınırında, yük akışının bir sonucu olarak, n katmanında telafi edilmemiş hacimsel pozitif yük ve p katmanında hacimsel negatif yük ile tükenmiş bölgeler oluşur. Bu bölgeler birlikte bir p-n bağlantısı oluşturur. Geçişte ortaya çıkan potansiyel bariyer (temas potansiyeli farkı), ana yük taşıyıcılarının geçişini engeller, yani. elektronlar p-katmanı tarafından alınır, ancak azınlık taşıyıcılarının zıt yönlerde geçişine serbestçe izin verir. P-n bağlantılarının bu özelliği, bir güneş pilini güneş ışığıyla ışınlarken foto-emf elde etme olasılığını belirler. Fotovoltaik hücrenin her iki katmanında ışık tarafından oluşturulan dengesiz yük taşıyıcıları (elektron-delik çiftleri) p-n bağlantı noktasında ayrılır: azınlık taşıyıcıları (yani elektronlar) bağlantı noktasından serbestçe geçer ve çoğunluk taşıyıcıları (delikler) tutulur. Böylece, güneş ışınımının etkisi altında, dengesiz azınlık yük taşıyıcılarının (fotoelektronlar ve fotodelikler) bir akımı, p-n birleşiminden her iki yönde akacaktır; bu, güneş pilinin çalışması için tam olarak ihtiyaç duyulan şeydir. Şimdi dış devreyi kapatırsak, yük üzerinde iş yapan n katmanındaki elektronlar p katmanına geri dönecek ve orada güneş pili içinde ters yönde hareket eden deliklerle yeniden birleşecek (birleşecek). Elektronların harici bir devreye toplanması ve uzaklaştırılması için güneş pilinin yarı iletken yapısının yüzeyinde bir kontak sistemi bulunmaktadır. Dönüştürücünün ön aydınlatılmış yüzeyinde kontaklar ızgara veya tarak şeklinde yapılır ve arka tarafta sağlam olabilirler.

Güneş pillerinde geri dönüşü olmayan ana enerji kayıpları aşağıdakilerle ilişkilidir:

• Güneş ışınımının dönüştürücü yüzeyinden yansıması,
• Radyasyonun bir kısmının fotovoltaik hücre içerisinden emilmeden geçmesi,
• fazla foton enerjisinin kafesin termal titreşimlerine saçılması,
• oluşan fotoçiftlerin fotovoltaik hücrenin yüzeylerinde ve hacminde rekombinasyonu,
• dönüştürücünün iç direnci,
• ve diğer bazı fiziksel süreçler.

Güneş enerjisi santrallerinde her türlü enerji kaybını azaltmak için çeşitli önlemler geliştirilmekte ve başarıyla uygulanmaktadır. Bunlar şunları içerir:

• güneş radyasyonu için optimal bant aralıklarına sahip yarı iletkenlerin kullanımı;
• optimum katkılama ve yerleşik elektrik alanlarının yaratılması yoluyla yarı iletken yapının özelliklerinin hedeflenen iyileştirilmesi;
• homojenden heterojen ve kademeli aralıklı yarı iletken yapılara geçiş;
• PV tasarım parametrelerinin optimizasyonu (pn-bağlantı derinliği, taban katmanı kalınlığı, kontak ızgara frekansı, vb.);
• yansıma önleyici, termal düzenleme ve güneş pillerinin kozmik radyasyondan korunmasını sağlayan çok işlevli optik kaplamaların kullanılması;
• Güneş spektrumunun uzun dalga bölgesinde, ana absorpsiyon bandının kenarının ötesinde şeffaf olan güneş pillerinin geliştirilmesi;
• bant aralığı genişlikleri için özel olarak seçilmiş yarı iletkenlerden kademeli PV hücrelerinin oluşturulması, her kademede önceki kademeden geçen radyasyonun dönüştürülmesini mümkün kılar, vb.;

Ayrıca, çift taraflı hassasiyete sahip dönüştürücülerin oluşturulması (bir tarafın mevcut verimliliğinin +%80'ine kadar), ışıldayan yeniden yayan yapıların kullanılması ve ön hazırlık yoluyla güneş pillerinin verimliliğinde önemli bir artış sağlandı. çok katmanlı film ışın ayırıcıları (dikroik aynalar) kullanılarak güneş spektrumunun iki veya daha fazla spektral bölgeye ayrıştırılması ve ardından spektrumun her bir bölümünün ayrı bir fotovoltaik hücre vb. tarafından dönüştürülmesi.

Güneş enerjisi santrallerinin (güneş enerjisi santralleri) enerji dönüşüm sistemlerinde, prensip olarak, oluşturulmuş ve halen geliştirilmekte olan, çeşitli yarı iletken malzemelere dayalı, çeşitli yapıdaki her türlü güneş pili kullanılabilir, ancak hepsi bu gereksinimleri karşılamaz. Bu sistemler için gereksinimler kümesi:

• uzun (onlarca yıl!) hizmet ömrü ile yüksek güvenilirlik;
• dönüşüm sisteminin elemanlarının üretimi için yeterli miktarda kaynak malzemenin mevcudiyeti ve seri üretimlerini organize etme imkanı;
• geri ödeme süreleri açısından kabul edilebilir bir dönüşüm sistemi oluşturmaya yönelik enerji maliyetleri;
• istasyonun bir bütün olarak yönlendirilmesi ve stabilizasyonu da dahil olmak üzere, enerji dönüşüm ve iletim sisteminin (alan) yönetimiyle ilgili minimum enerji ve kütle maliyetleri;
• Bakım kolaylığı.

Örneğin, sınırlı doğal hammadde rezervleri ve bunların işlenmesinin karmaşıklığı nedeniyle, güneş enerjisi santrallerinin oluşturulması için gerekli miktarlarda ümit vaat eden bazı malzemelerin elde edilmesi zordur. Örneğin karmaşık yapılar oluşturarak güneş pillerinin enerji ve operasyonel özelliklerini iyileştirmeye yönelik belirli yöntemler, seri üretimlerini düşük maliyetle vb. organize etme olanaklarıyla pek uyumlu değildir. Yüksek üretkenlik, yalnızca, örneğin bant teknolojisine dayalı olarak tam otomatik PV üretiminin organize edilmesiyle ve uygun profilde gelişmiş bir uzman işletmeler ağının oluşturulmasıyla elde edilebilir; aslında, modern radyo-elektronik endüstrisiyle karşılaştırılabilecek büyüklükte bir endüstri. Güneş pillerinin üretilmesi ve güneş panellerinin otomasyonlu hatlara montajı pil modülünün maliyetini 2-2,5 kat azaltacaktır.

Silikon ve galyum arsenit (GaAs), şu anda güneş enerjisini SES'e dönüştürmek için fotovoltaik sistemler için en olası malzemeler olarak kabul ediliyor ve ikinci durumda, AlGaAs-GaAs yapısına sahip heterofoto dönüştürücülerden (HPC'ler) bahsediyoruz.

Bilindiği gibi arsenik ile galyumun (GaAs) bir bileşiğine dayanan FEC'ler (fotovoltaik dönüştürücüler), bilindiği gibi, silikon FEC'lerden daha yüksek bir teorik verime sahiptir, çünkü bant aralığı genişlikleri pratik olarak yarı iletken güneş enerjisi dönüştürücüler için optimal bant aralığı genişliğine denk gelir =1.4 eV. Silikon için bu gösterge = 1,1 eV.

GaAs'daki doğrudan optik geçişlerle belirlenen güneş ışınımının daha yüksek düzeyde emilmesi nedeniyle, silikona kıyasla önemli ölçüde daha küçük bir PV hücre kalınlığı ile bunlara dayalı yüksek verimli PV hücreleri elde edilebilir. Prensip olarak, en az% 20'lik bir verim elde etmek için GFP kalınlığının 5-6 mikron olması yeterlidir, silikon elemanların kalınlığı ise verimliliklerinde gözle görülür bir azalma olmadan 50-100 mikrondan az olamaz. . Bu durum, üretimi nispeten az başlangıç ​​malzemesi gerektirecek olan hafif film HFP'lerin oluşturulmasına güvenmemizi sağlar, özellikle de alt tabaka olarak GaAs'ın değil, örneğin sentetik safir (Al2 O3) gibi başka bir malzemenin kullanılması mümkünse. ).

GFC'ler ayrıca silikon PV hücrelerine kıyasla SES dönüştürücülere yönelik gereksinimler açısından daha uygun operasyonel özelliklere sahiptir. Bu nedenle, özellikle, büyük bant aralığı nedeniyle p-n bağlantı noktalarında ters doyma akımlarının küçük başlangıç ​​değerlerine ulaşma olasılığı, HPC'nin verimliliği ve optimal gücü için negatif sıcaklık gradyanlarının büyüklüğünü en aza indirmeyi mümkün kılar ve buna ek olarak , ikincisinin ışık akısı yoğunluğuna doğrusal bağımlılık bölgesini önemli ölçüde genişletir. HFP'lerin verimliliğinin sıcaklığa deneysel bağımlılığı, ikincisinin denge sıcaklığının 150-180°C'ye arttırılmasının, verimliliklerinde ve optimal spesifik güçlerinde önemli bir azalmaya yol açmadığını göstermektedir. Aynı zamanda, silikon güneş pilleri için sıcaklığın 60-70°C'nin üzerine çıkması neredeyse kritik öneme sahiptir; verimlilik yarı yarıya düşer.

Yüksek sıcaklıklara dayanıklılıkları nedeniyle galyum arsenit güneş pilleri, güneş ışınımı yoğunlaştırıcıları olarak kullanılabilir. GaAs bazlı HFP'nin çalışma sıcaklığı, ısı motorları ve buhar türbinleri için zaten oldukça yüksek çalışma sıcaklıkları olan 180 °C'ye ulaşır. Böylece, galyum arsenit HFP'lerin (150°C'de) %30'luk içsel verimliliğine, fotoselleri soğutan sıvının atık ısısını kullanan bir ısı motorunun verimliliğini ekleyebiliriz. Bu nedenle, alan ısıtma için türbinden sonra soğutucudan düşük sıcaklıkta ısı çekmenin üçüncü döngüsünü de kullanan kurulumun genel verimliliği %50-60'tan bile daha yüksek olabilir.

Ayrıca, GaAs bazlı HFC'ler, GaAs'daki yüksek düzeyde ışık emiliminin yanı sıra azınlık taşıyıcılarının gerekli ömrü ve difüzyon uzunluğunun küçük olması nedeniyle, yüksek enerjili proton ve elektron akışları tarafından tahribata silikon FEC'lere göre çok daha az duyarlıdır. Üstelik deneyler, GaAs bazlı HFP'lerdeki radyasyon kusurlarının önemli bir kısmının, yaklaşık 150-180 °C sıcaklıkta ısıl işlemden (tavlama) sonra ortadan kaybolduğunu göstermiştir. GaAs HFC'ler sürekli olarak 150°C düzeyinde bir sıcaklıkta çalışırsa, istasyonların tüm aktif çalışma süresi boyunca verimliliklerindeki radyasyon bozulma derecesi nispeten küçük olacaktır (bu özellikle uzay güneş enerjisi santralleri için geçerlidir, FEC'in düşük ağırlığı ve boyutu ile yüksek verimliliğin önemli olduğu durumlar).

Genel olarak, GaAs bazlı HFC'lerin enerji, kütle ve operasyonel özelliklerinin, silikon FEC'lerin özelliklerinden ziyade SES ve SCES (uzay) gereksinimleriyle daha tutarlı olduğu sonucuna varabiliriz. Ancak silikon, galyum arsenitten çok daha erişilebilir ve yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Silikon doğada yaygındır ve buna dayalı güneş pilleri oluşturmak için hammadde temini neredeyse sınırsızdır. Silikon güneş pilleri üretme teknolojisi iyi kurulmuş ve sürekli olarak geliştirilmektedir. Özellikle silikon bantlar, geniş alanlı güneş pilleri vb. üretmeyi mümkün kılan yeni otomatik üretim yöntemlerinin devreye girmesiyle, silikon güneş pillerinin maliyetini bir ila iki kat azaltma yönünde gerçek bir umut var.

Silikon fotovoltaik pillerin fiyatları, yetmişli yıllarda 70-100 dolar/watt'tan 25 yılda 20-30 kat azalarak 2000 yılında 3,5 dolar/watt'a düştü ve düşmeye devam ediyor. Batı'da fiyatların 3 doları aşmasıyla enerji sektöründe devrim bekleniyor. Bazı hesaplamalara göre bu, 2002 gibi erken bir tarihte gerçekleşebilir ve Rusya için mevcut enerji tarifeleriyle bu an, 1 watt güneş enerjisinin 0,3-0,5 dolarlık fiyatıyla, yani çok daha düşük bir fiyata gelecek. fiyat. Bütün faktörler bir arada ele alındığında burada rol oynuyor: Tarifeler, iklim, coğrafi enlemler ve devletin gerçek fiyatları belirleme ve uzun vadeli yatırımlar yapma becerisi. Heteroeklemlere sahip gerçek yapılarda verimlilik bugün %30'un üzerine çıkmakta ve monokristalin silikon gibi homojen yarı iletkenlerde %18'e kadar çıkmaktadır. Günümüzde monokristalin silikon bazlı güneş pillerinin ortalama verimliliği %18 civarında olmasına rağmen %12 civarındadır. Bugün dünyanın her yerindeki evlerin çatılarında görülebilen esas olarak silikon SB'lerdir.

Silikonun aksine galyum çok az bulunan bir malzemedir ve bu da GaAs bazlı HFP'lerin yaygın uygulama için gereken miktarlarda üretilme olasılığını sınırlar.

Galyum esas olarak boksitten çıkarılıyor ancak kömür külü ve deniz suyundan da elde edilmesi olasılığı da değerlendiriliyor. En büyük galyum rezervleri deniz suyunda bulunur, ancak buradaki konsantrasyon çok düşüktür, geri kazanım veriminin yalnızca %1 olduğu tahmin edilmektedir ve bu nedenle üretim maliyetlerinin fahiş olması muhtemeldir. Sıvı ve gaz epitaksi yöntemleri (tek bir kristalin diğerinin yüzeyinde (bir substrat üzerinde) yönlendirilmiş büyümesi) kullanılarak GaAs bazlı HFP'lerin üretimine yönelik teknoloji, henüz üretim teknolojisi ile aynı ölçüde geliştirilmemiştir. silikon PVS ve sonuç olarak, HFP'lerin maliyeti artık silikon güneş pillerinin maliyetinden (siparişlere göre) önemli ölçüde daha yüksek.

Ana akım kaynağının güneş panelleri olduğu ve kütle, büyüklük ve verimlilik oranlarının çok önemli olduğu uzay araçlarında ana malzeme güneştir. Pil elbette galyum arsenittir. Güneş pillerindeki bu bileşiğin, 3-5 kat yoğunlaştırılmış güneş ışınımı ile ısıtıldığında verimini kaybetmemesi, uzay güneş enerjisi santralleri için çok önemlidir ve bu da kıt galyum ihtiyacını azaltır. Galyum tasarrufuna yönelik ek bir rezerv, HFP substratı olarak GaAs yerine sentetik safirin (Al2O3) kullanılmasıyla ilişkilidir.

HFP'lerin gelişmiş teknolojiye dayalı seri üretimleri sırasındaki maliyeti de muhtemelen önemli ölçüde azalacaktır ve genel olarak GaAs HFP'lere dayalı bir SES güç dönüşüm sisteminin dönüşüm sisteminin maliyeti, bir silikonun maliyetiyle oldukça karşılaştırılabilir olabilir. tabanlı sistem. Bu nedenle, şu anda, dikkate alınan iki yarı iletken malzemeden birini - silikon veya galyum arsenit - tamamen net bir şekilde tercih etmek zordur ve yalnızca üretim teknolojilerinin daha da geliştirilmesi, hangi seçeneğin yer tabanlı ve uzay için daha rasyonel olacağını gösterecektir. dayalı güneş enerjisi. SB'ler doğru akım ürettiği sürece, görev onu 50 Hz, 220 V endüstriyel alternatif akıma dönüştürmektir. Özel bir cihaz sınıfı - invertörler - bu görevle mükemmel bir şekilde başa çıkmaktadır.

Fotovoltaik sistemin hesaplanması.

Güneş pillerinin enerjisi, diğer güç kaynaklarının enerjisiyle aynı şekilde kullanılabilir, tek fark, güneş pillerinin kısa devrelerden korkmamasıdır. Her biri belirli bir voltajda belirli miktarda akımı koruyacak şekilde tasarlanmıştır. Ancak diğer akım kaynaklarından farklı olarak bir güneş pilinin özellikleri, yüzeyine düşen ışık miktarına bağlıdır. Örneğin, gelen bir bulut, güç çıkışını %50'den fazla azaltabilir. Ek olarak, teknolojik koşullardaki sapmalar, bir partinin elemanlarının çıktı parametrelerinde bir dağılıma neden olur. Sonuç olarak, fotovoltaik dönüştürücülerden maksimum verim alma isteği, hücrelerin çıkış akımına göre sınıflandırılması ihtiyacını doğurmaktadır. "Berbat bir koyunun tüm sürüyü mahvetmesine" açık bir örnek olarak şu örnek verilebilir: Çok daha küçük çaplı bir boru parçasını, büyük çaplı bir su borusundaki yarığa sokun; bunun sonucunda su akışı daha da artacaktır. keskin bir şekilde azalır. Benzer bir şey, heterojen çıkış parametrelerine sahip bir güneş pilleri zincirinde de olur.

Silikon güneş pilleri doğrusal olmayan cihazlardır ve davranışları Ohm kanunu gibi basit bir formülle tanımlanamaz. Bunun yerine, bir elemanın özelliklerini açıklamak için anlaşılması kolay bir eğriler ailesini (akım-gerilim özellikleri (CVC)) kullanabilirsiniz.

Bir eleman tarafından üretilen açık devre voltajı, aynı grupta bir elemandan diğerine ve bir üreticiden diğerine biraz değişiklik gösterir ve yaklaşık 0,6 V'tur. Bu değer, elemanın boyutuna bağlı değildir. Akımda ise durum farklıdır. Işığın yoğunluğuna ve yüzey alanını ifade eden elemanın boyutuna bağlıdır.

100-100 mm'lik bir eleman, 10-10 mm'lik bir elemandan 100 kat daha büyük olduğundan aynı aydınlatma altında 100 kat daha fazla akım üretecektir.

Elemanı yükleyerek, çıkış gücünün voltaja bağımlılığını çizerek, Şekil 2'de gösterilene benzer bir şey elde edebilirsiniz.

Tepe gücü yaklaşık 0,47 V'luk bir voltaja karşılık gelir. Bu nedenle, güneş pilinin kalitesini doğru bir şekilde değerlendirmek ve aynı koşullar altında elemanları birbirleriyle karşılaştırmak için, onu bu şekilde yüklemek gerekir. çıkış voltajının 0,47 V'a eşit olduğunu. Güneş enerjisi elemanları iş için seçildikten sonra lehimlenmeleri gerekir. Seri elemanlar, iletkenleri kendilerine lehimlemek için tasarlanmış akım toplama ızgaralarıyla donatılmıştır.

Piller istenilen herhangi bir kombinasyonda düzenlenebilir. En basit pil, seri olarak bağlanmış bir elementler zinciridir. Zincirleri paralel olarak da bağlayabilirsiniz, bu da seri-paralel bağlantı olarak adlandırılan bağlantıyla sonuçlanır.

Güneş pillerinin çalışmasında önemli bir nokta sıcaklık rejimidir. Eleman 25°C'nin üzerinde bir derece ısıtıldığında gerilimde 0,002 V kaybeder; %0,4/derece. Şekil 3, 25°C ve 60°C sıcaklıklar için bir akım-gerilim karakteristik eğrileri ailesini göstermektedir.

Parlak güneşli bir günde elementler 60-70°C'ye kadar ısınır ve her biri 0,07-0,09 V kaybeder. Güneş pillerinin veriminin azalmasının ve elemanın ürettiği voltajın düşmesinin ana nedeni budur. Geleneksel bir güneş pilinin verimliliği şu anda %10-16 arasında değişmektedir. Bu, standart koşullar altında 100-100 mm ölçülerindeki bir elemanın 1-1,6 W üretebileceği anlamına gelir.

Tüm fotovoltaik sistemler iki türe ayrılabilir: otonom ve elektrik ağına bağlı. İkinci tip istasyonlar, dahili enerji sıkıntısı durumunda yedek görevi gören fazla enerjiyi ağa salar.

Otonom bir sistem genellikle destekleyici bir yapıya veya çatıya yerleştirilen bir dizi güneş modülü, bir batarya, bir batarya şarj/deşarj kontrol cihazı ve bağlantı kablolarından oluşur. Güneş modülleri, fotovoltaik sistemlerin inşa edilmesinin ana bileşenidir. Her türlü çıkış voltajında ​​üretilebilirler.

Güneş pilleri seçildikten sonra lehimlenmesi gerekir. Seri elemanlar, iletkenleri kendilerine lehimlemek için akım toplama ızgaralarıyla donatılmıştır. Piller herhangi bir kombinasyonda yapılabilir.

En basit pil, seri olarak bağlanmış bir elementler zinciridir.

Bu zincirleri paralel bağlayarak seri-paralel bağlantı adı verilen bir bağlantı elde edebilirsiniz. Paralel olarak yalnızca aynı gerilime sahip zincirler (hatlar) bağlanabilir ve bunların akımları Kirchhoff yasasına göre toplanır.

Karasal kullanım için genellikle 12 V'luk nominal gerilime sahip pilleri şarj etmek için kullanılırlar. Bu durumda, kural olarak 36 güneş pili seri olarak bağlanır ve cam, PCB veya alüminyum üzerine laminasyonla kapatılır. Elemanlar, hava boşluğu olmaksızın iki kat sızdırmazlık filmi arasına yerleştirilmiştir. Vakumlu laminasyon teknolojisi bu gereksinimi karşılamanıza olanak tanır. Koruyucu cam ile eleman arasında hava boşluğu olması durumunda yansıma ve soğurma kayıpları, hava boşluğu olmadığında %12'ye kıyasla %20-30'a ulaşacaktır.

Bir güneş pilinin elektriksel parametreleri, standart koşullar altında (Standart Test Koşulları), yani 1000 W/m2 güneş radyasyonu, sıcaklık - 25 ° C altında, bireysel bir güneş pilinin yanı sıra bir akım-gerilim eğrisi şeklinde sunulur. ve 45 ° enlemde güneş spektrumu (AM1.5) .

Eğrinin gerilim ekseni ile kesişme noktasına yüksüz gerilim - Uxx, akım ekseni ile kesişme noktasına ise kısa devre akımı Is denir.

Modülün maksimum gücü, STC (Standart Test Koşulları) kapsamındaki en yüksek güç olarak tanımlanır. Maksimum güce karşılık gelen voltaj, maksimum güç voltajı (çalışma voltajı - Yukarı) olarak adlandırılır ve karşılık gelen akım, maksimum güç akımı (çalışma akımı - Ip) olarak adlandırılır.

Dolayısıyla 36 elemandan oluşan bir modülün çalışma voltajı 25o C'de yaklaşık 16...17 V (eleman başına 0,45...0,47 V) olacaktır.

Tam akü şarjının (14,4 V) voltajıyla karşılaştırıldığında bu voltaj marjı, akü şarj-deşarj kontrol cihazındaki (daha sonra tartışılacak olan) kayıpları telafi etmek için gereklidir ve esas olarak - pilin çalışma voltajındaki bir azalma modül radyasyonla ısıtıldığında: Silikonun sıcaklık katsayısı yaklaşık eksi %0,4/derecedir (bir eleman için 0,002 V/derece).

Modülün açık devre voltajının aydınlatmaya çok az bağlı olduğu, kısa devre akımının ve dolayısıyla çalışma akımının aydınlatmayla doğru orantılı olduğu unutulmamalıdır.

Böylece, gerçek çalışma koşulları altında ısıtıldığında, modüller 60-70°C sıcaklığa kadar ısınır; bu, örneğin çalışma voltajı 17 V olan bir modül için çalışma voltajı noktasındaki bir kaymaya karşılık gelir - 17'den 17 V'ye. V ila 13,7-14,4 V (eleman başına 0,38-0,4 V).

Yukarıdakilerin hepsine dayanarak, modülün seri bağlı elemanlarının sayısının hesaplanmasına yaklaşmak gerekir.Tüketicinin alternatif gerilime ihtiyacı varsa, buna doğrudan gerilimden alternatif gerilime bir invertör-dönüştürücü eklenir. kiti.

FES'in hesaplanması, modüllerin nominal gücünün, sayısının, bağlantı şemasının belirlenmesi anlamına gelir; tip, çalışma koşulları ve pil kapasitesi seçimi; invertörün ve şarj-deşarj kontrol cihazının gücü; bağlantı kablosu parametrelerinin belirlenmesi.

Öncelikle aynı anda bağlanan tüm tüketicilerin toplam gücünün belirlenmesi gerekmektedir. Her birinin gücü watt cinsinden ölçülür ve ürün veri sayfalarında belirtilir. Bu aşamada, hesaplanandan en az 1,25 kat daha büyük olmaması gereken invertörün gücünü zaten seçebilirsiniz. Kompresörlü buzdolabı gibi kurnaz bir cihazın, çalıştırma anında nominal gücün 7 kat daha fazla güç tükettiği akılda tutulmalıdır.

İnvertörlerin nominal aralığı 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W'dir. Güçlü istasyonlar için (1 kW'tan fazla), istasyon voltajı en az 48 V olarak seçilir, çünkü Daha yüksek güçlerde, invertörler daha yüksek başlangıç ​​gerilimleriyle daha iyi çalışır.

Bir sonraki aşama pil kapasitesinin belirlenmesidir. Pil kapasitesi, hesaplanandan daha büyük tarafa yuvarlanan standart bir kapasite aralığından seçilir. Ve hesaplanan kapasite, tüketicilerin toplam gücünün akü voltajının çarpımına ve akünün deşarj derinliğine kesirler halinde bölünmesiyle elde edilir.

Örneğin, tüketicilerin toplam gücü günde 1000 Wh ise ve 12 V'luk bir akünün izin verilen deşarj derinliği %50 ise hesaplanan kapasite şöyle olacaktır:

1000 / (12x0,5) = 167 Ah

Tamamen otonom modda pil kapasitesini hesaplarken, pilin tüketicilerin çalışmasını sağlaması gereken doğada bulutlu günlerin varlığını hesaba katmak gerekir.

Son aşama ise toplam gücün ve güneş modülü sayısının belirlenmesidir. Hesaplama, güneş radyasyonunun minimum olduğu istasyonun çalışma süresi boyunca alınan güneş radyasyonunun değerini gerektirecektir. Yıl boyunca kullanım durumunda bu Aralık ayıdır.

“Meteoroloji” bölümü, Rusya'nın ana bölgeleri için güneş ışınımının aylık ve toplam yıllık değerlerini ve ayrıca ışık alan düzlemin farklı yönelimlerine göre derecelendirmeyi sağlar.

Buradan ilgilendiğimiz dönem için güneş ışınımının değerini alıp 1000'e bölerek piko-saat sayısını, yani güneşin 1000 W/ şiddetinde parladığı koşullu süreyi elde ederiz. m2.

Örneğin, Moskova enlemi ve Temmuz ayı için, saha ufka 40° açıyla güneye doğru yöneldiğinde güneş ışınımının değeri 167 kWh/m2'dir. Bu, ortalama olarak güneşin Temmuz ayında 167 saat (günde 5,5 saat) boyunca 1000 W/m2 yoğunlukta parladığı anlamına gelir, ancak öğlen ışık akısına dik bir alanda maksimum aydınlatma 700-750 W'u aşmaz. /m2.

Seçilen periyot boyunca Pw gücüne sahip modül aşağıdaki miktarda enerji üretecektir: W = k Pw E / 1000, burada E seçilen periyot için güneşlenme değeridir, k-katsayısı yazın 0,5'e ve kışın 0,7'ye eşittir.

Bu katsayı, güneşte ısıtıldığında güneş pillerinin güç kaybını düzeltir ve aynı zamanda gün boyunca modüllerin yüzeyindeki ışınların eğimli gelişini de hesaba katar.

Kış ve yaz aylarındaki değerindeki fark, kışın elementlerin daha az ısınmasından kaynaklanmaktadır.

Tüketilen enerjinin toplam gücüne ve yukarıdaki formüle dayanarak modüllerin toplam gücünü hesaplamak kolaydır. Ve bunu bilerek, onu bir modülün gücüne bölerek modül sayısını elde ederiz.

Güneş enerjisi santrali oluştururken tüketicilerin gücünün mümkün olduğunca azaltılması şiddetle tavsiye edilir. Örneğin, aydınlatıcı olarak (mümkünse) yalnızca floresan lambaları kullanın. Bu tür lambalar, 5 kat daha az tüketimle, akkor lambanın ışık akısı ile eşdeğer bir ışık akısı sağlar.

Küçük PV sistemleri için, gelen ışınlara göre optimum dönüş sağlamak amacıyla modüllerinin dönen bir brakete monte edilmesi tavsiye edilir. Bu, istasyonun kapasitesini %20-30 oranında artıracak.

İnvertörler hakkında biraz.

Doğru akımın alternatif akıma invertörleri veya dönüştürücüleri, 50 Hz frekanslı ve 220 V voltajlı bir alternatif akım güç kaynağı ağının bulunmadığı veya kalitesiz olduğu durumlarda, çeşitli ekipman ve cihazlara yüksek kaliteli güç kaynağı sağlamak üzere tasarlanmıştır; çeşitli acil durumlar vb.

İnvertör, 12 (24, 48, 60) V voltajlı doğru akımın, 50 Hz frekansta 220 V stabilize voltajlı alternatif akıma darbe dönüştürücüsüdür. Çoğu invertörün çıkışında STABİLİZE SİNÜSoidal voltaj bulunur ve bu da onların hemen hemen her ekipman ve cihaza güç sağlamak için kullanılmasına olanak tanır.

Yapısal olarak invertör bir masaüstü ünite şeklinde yapılmıştır. İnverterin ön panelinde ürün çalıştırma anahtarı ve dönüştürücü çalışma göstergesi bulunmaktadır. Ürünün arka panelinde, örneğin bir akü gibi bir DC kaynağını bağlamak için pimler (terminaller), invertör muhafazası için bir topraklama pimi, fan montajlı bir delik (soğutma) ve üç kutuplu bir Euro soketi bulunur. yükü bağlamak için.

İnvertör çıkışındaki stabilize voltaj, giriş voltajı değiştiğinde/dalgalandığında, örneğin akü boşaldığında veya yük tarafından tüketilen akımda dalgalanmalar olduğunda, yüke yüksek kaliteli güç kaynağı sağlamanıza olanak tanır. Girişteki DC kaynağının ve invertör çıkışındaki yük ile AC devresinin garantili galvanik izolasyonu, çeşitli DC kaynakları veya herhangi bir elektrikli ekipmanı kullanırken çalışma güvenliğini sağlamak için ek önlemler almamanıza olanak tanır. İnverterin çalışması sırasında güç parçasının cebri soğutulması ve düşük gürültü seviyesi, bir yandan ürünün iyi ağırlık ve boyut özelliklerini sağlamayı mümkün kılarken, diğer yandan bu tür soğutmayla rahatsızlık yaratmaz. çalışma sırasında gürültü şeklinde.

• Elektronik ekranlı dahili kontrol paneli
• Hassas ayarlara izin veren kapasitans potansiyometresi
• Pim bağlantılı normalleştirilmiş şerit: WE WY STEROW
• Dahili ters frenleme
• Fanlı radyatör
• Estetik sabitleme
• Güç kaynağı 230 V - 400 V
• Aşırı yük %150 - 60s
• Hızlanma süresi 0,01...1000 saniye
• Dahili elektrik filtresi, A sınıfı
• Çalışma sıcaklığı: -5°C - +45°C
• RS485 bağlantı noktası
• Frekans adımı ayarı: 0,01 Hz - 1 kHz
• Koruma sınıfı IP 20

Fonksiyonel olarak şunları sağlar: frekans artışı, azalması, aşırı yük ve aşırı ısınma kontrolü.

Güneşin serbest ışınlarını etkili bir şekilde evlere ve diğer tesislere güç sağlamak için kullanılabilecek enerjiye dönüştürmek, birçok yeşil enerji savunucusunun en büyük hayalidir.

Ancak güneş pilinin çalışma prensibi ve verimliliği öyledir ki, bu tür sistemlerin yüksek verimliliğinden henüz bahsetmeye gerek yoktur. Kendi ek elektrik kaynağınızın olması güzel olurdu. Değil mi? Üstelik bugün bile Rusya'da güneş panelleri yardımıyla önemli sayıda özel haneye başarıyla "bedava" elektrik sağlanıyor. Hala nereden başlayacağınızı bilmiyor musunuz?

Aşağıda size bir güneş panelinin tasarım ve çalışma prensiplerini anlatacağız; bir güneş enerjisi sisteminin verimliliğinin nelere bağlı olduğunu öğreneceksiniz. Makalede yayınlanan videolar, fotosellerden bir güneş panelini kendi ellerinizle monte etmenize yardımcı olacaktır.

“Güneş enerjisi” konusunda oldukça fazla nüans ve kafa karışıklığı var. Yeni başlayanlar için yabancı terimlerin tamamını ilk başta anlamak genellikle zordur. Ancak bu olmadan güneş enerjisiyle uğraşmak, "güneş" akımı üretmek için ekipman satın almak mantıksızdır.

Farkında olmadan, yalnızca yanlış paneli seçmekle kalmaz, aynı zamanda onu bağlarken yakabilir veya ondan çok az enerji çekebilirsiniz.

Resim Galerisi

Bir güneş panelinden maksimum verim ancak nasıl çalıştığını, hangi bileşenlerden ve düzeneklerden oluştuğunu ve nasıl doğru şekilde bağlandığını bilmekle elde edilebilir.

İkinci nüans ise “güneş pili” kavramıdır. Tipik olarak “pil” kelimesi bir tür elektrik depolama cihazını ifade eder. Veya banal bir ısıtma radyatörü akla geliyor. Ancak güneş pillerinde durum tamamen farklıdır. Kendi içlerinde hiçbir şey biriktirmezler.

Şekil 9. Fotovoltaik dönüşümün bir örneği olarak güneş pili

Fotoiletken dönüştürücüler

Bu dönüştürücüler, ölçülen miktardaki bir değişikliği, kullanılan malzemenin direncindeki bir değişikliğe dönüştürür (Şekil 8). Kullanılan malzemeler yarı iletken olmasına rağmen fotoiletken dönüştürücüler her zaman yarı iletken değildir çünkü farklı yarı iletken türleri arasında geçişler yoktur. Bu tür dönüştürücülere pasif denir, yani. harici güce ihtiyaç duyar. Genellikle adları, örneğin ışığa duyarlı dirençler gibi, kullanılan dönüşüm türünü karakterize eder.

Bir malzemenin direnci, çoğunluk yük taşıyıcılarının yoğunluğunun bir fonksiyonudur ve radyasyon yoğunluğu arttıkça yoğunluk da arttığından iletkenlik artar. İletkenlik dirençle ters orantılı olduğundan direncin ışınlama yoğunluğunun ters fonksiyonu olduğu sonucuna varılabilir. Tam ışınlama altında direnç değeri genellikle 100-200 Ohm olup, tam karanlıkta bu direnç megaohm'a eşittir. Işığa bağımlı dirençlerin tasarımında en yaygın olarak kullanılan malzemeler kadmiyum sülfit veya kadmiyum selenittir.

Güneş hücreleri

Güneş pilleri, yayılan elektromanyetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik dönüştürücülerdir; ölçülen radyasyon değerindeki değişiklik, çıkış voltajındaki bir değişikliğe dönüştürülür (Şekil 9).

Dönüştürücünün tasarımı, iki iletken elektrot arasına yerleştirilmiş, ışığa duyarlı, yüksek dirençli bir malzeme tabakası içerir. Elektrotlardan biri, içinden radyasyonun geçtiği ve ışığa duyarlı malzemeye çarptığı şeffaf bir malzemeden yapılmıştır. Tamamen aydınlatıldığında, bir eleman elektrotlar arasında yaklaşık 0,5 V'luk bir çıkış voltajı üretir.

Kural olarak, yarı iletken valf fotoselleri (engelleme katmanlı fotoseller) fotoelektrik katman olarak kullanılır (Şekil 9). Bakmak: Valf fotosellerinin tasarımları

Elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılan fotoselin en önemli parametrelerinden biri verim faktörüdür (verimlilik). Bir güneş pilinin verimliliği, bir fotoselden elde edilebilecek maksimum elektrik akımı gücünün, fotosel üzerine gelen ışık ışınımının gücüne oranıdır. Verimlilik ne kadar yüksek olursa, ışık spektrumunun akım taşıyıcılarının oluşumuna katılan kısmı da o kadar büyük olur. Güneş pillerinin verimliliğini artırmanın yollarından biri de mümkün olan en geniş spektral özelliklere sahip fotoseller oluşturmaktır. Silikondan yapılmış fotosellerin verimliliği %12'ye kadardır. Galyum arsenit bileşiklerini temel alan fotosellerin verimliliği %20'ye kadardır.