Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии

Почанин Юрий

image l:href="#"/>

Рис. 5. ФЭП на основе аморфного кремния

ФЭП из теллурида кадмия (CdTe), рис.6, которые изготавливаются по тонкопленочной технологии. Полупроводниковый слой наносят тонким слоем в несколько сотен микрометров. Эффективность элементов из CdTe невысокая, КПД около 11%. По сравнению с кремниевыми панелями стоимость ватта мощности получается на несколько десятков процентов дешевле. ФЭП на основе CIGS, рис.7, CIGS – это полупроводник, состоящий из меди, индия, галлия и селена. Такие солнечные батареи тоже выполнены по пленочной технологии. По сравнению с панелями из теллурида кадмия обладают более высокой эффективностью, КПД доходит до 15%.

Рис. 6. ФЭП на основе теллурида кадмия

Рис. 7. ФЭП на основе CIGS

Наибольшее распространение на сегодняшний день получили модули, изготовленные на основе фотоэлектрических поликристаллических элементов.

Востребованность данного типа альтернативных энергоресурсов объясняется наиболее оптимальным соотношением стоимости изделия и количества получаемой с его помощью энергии. Данную разновидность можно определить по синему цвету и кристаллической структуре образующих деталей, а установка модулей не составит особого труда. Поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму. Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого. Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него. При производстве монокристаллических модулей используется технология литья кремниевых кристаллов с повышенной степенью очистки. Отвердение расплава происходит при воздействии затравки. В период охлаждения изделия кремний затвердевает и обретает форму монокристалла (d 13–20 см). Длина такого изделия достигает 2м. после окончательного отвердевания пластина нарезается на меньшие элементы, толщина которых составляет 250–300 мкм. КПД монокристаллических сетевых солнечных электростанций достигает 19%. Университет Нового Южного Уэльса, достиг 25% эффективности от монокристаллического кремния в лабораторных условиях. Такие высокие показатели стали возможны благодаря возросшей подвижности электронов из-за ориентации кристаллов. Кремниевая поверхность покрывается сеткой из электродов, а также защитным стеклом. Изделие обрамляется алюминиевой рамкой. Такие модули представлены в двух вариантах расцветки – черный и темно-синий. Учитывая многоугольную форму отдельных элементов, достичь идеальных показателей удельной мощности целостной конструкции редко удается. Но этот факт практически не сказывается на производительности и эффективности оборудования. Солнечные панели, собранные из разных элементов кремниевых кристаллов, стоят дешевле, чем монокристаллические изделия. Технология их производства подразумевает соединение различных монокристаллических решеток кремния. Такой подход удешевляет производство, но и снижает срок службы устройств (25 лет против 50-ти для монокристаллов).Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20–22%. В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам, рис. 8. Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Перетёк в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода. То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка. Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать много переходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько.

Dlb~N~N~ND 3/4 D^1~N~ND^2D 3/4 ~ND 3/4 DD 1/2 D~ND 1/2 D 3/4 D^1DD~ND~NDD,

Рис. 8. Структура солнечной панели

Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей. Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Солнечный модуль может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелио панель сгенерирует электрического тока. При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелио панели поднимается до 50–55°С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент. В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение. Эффективность солнечных панелей зависит от: температуры воздуха и самой батареи; правильности подбора сопротивления нагрузки; угла падения солнечных лучей; наличия/отсутствия антибликового покрытия; мощности светового потока. Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелио модуль в целом.

.Тонкопленочные технологии для солнечных панелей. Изобретение технологии с использованием тонкой пленки дало возможность постепенно вытеснить кристаллические солнечные панели, приближаясь к ним по своим техническим характеристикам. Основные преимущества таких изделий заключаются в их невысокой себестоимости, которая становится определяющим фактором в конкурентной борьбе. Модули нового типа отличаются гибкостью, легкостью и эластичностью, что дает возможность устанавливать их практически на любые поверхности. Основными компонентами пленочных систем являются алюминий, аморфный кремний, теллур ид кадмия и другие виды полупроводников, из которых состоит вся конструкция. Все элементы закрепляются на полимерной пленке и составляют единое целое. Количество вырабатываемой электроэнергии напрямую зависит от площади изделия. В самом начале в тонкопленочных элементах применялся аморфный кремний, наносимый на подложку. Такая конструкция, где используются эти компоненты служила совсем недолго, а КПД составлял всего лишь 4–5%. С улучшением технологии эти показатели возросли, в том числе и КПД, который достиг 8%. Тонкопленочные солнечные батареи третьего поколения увеличили этот показатель до 12% и стали вполне конкурентоспособными по отношению к кремниевым панелям. Таких показателей удалось достичь за счет селенида меди-индия и теллурова кадмия, нашедших свое применение еще в первых портативных зарядных устройствах. Теллурид кадмия считается более перспективным для дальнейшего использования в солнечных батареях с тонкой пленкой. Некоторое время шли споры о его токсичности, но исследования показали, что вредные выбросы минимальны и не представляют опасности для окружающих. При этом, его КПД достиг 11%, а цена за 1 Вт на 30% ниже, по сравнению с кремниевыми аналогами. Селенид меди-индия считается еще более эффективным. В настоящее время индий в большинстве случаев заменяется галлием, поскольку он практически весь используется в других производствах. Однако, даже в этом случае пленочные солнечные батареи нового поколения выдают КПД, равный 20%. Характерной особенностью тонкопленочных конструкций является их высокая производительность даже при воздействии рассеянного света. В течение года суммарная мощность этих устройств на 15% превышает кремниевые аналоги. В этом заключаются их явные преимущества. На определенном этапе, в зависимости от площади, тонкопленочные солнечные батареи начинают преобладать над другими типами модулей. При пасмурной погоде они будут работать значительно эффективнее, так же как и при высокой температуре в жаркую погоду, как и планировал изобретатель. Благодаря физическим свойствам эти изделия

часто применяются в декоративной отделке фасадов зданий и в других дизайнерских решениях. Специалисты прогнозируют, что это солнечные батареи будущего. Еще одним видом солнечных панелей являются изделия на основе полупроводника CIGS. Батареи этой разновидности также изготовляется согласно пленочной технологии, но они более эффективны, чем кремневые панели.

Важным конструктивным решением является нанесение тонкой пленки на цилиндрические поверхности. В качестве такого цилиндра используется стеклянная трубка, которая после нанесения фотоэлемента помещается внутрь другой трубки. Вторая трубка имеет больший диаметр и к ней подведены электрические контакты. Благодаря цилиндрическому исполнению, пленочные солнечные батареи поглощают большее количество света, а 40 деталей свободно размещаются на площади 2м^2. Они устойчивы к сильным порывам ветра и могут свободно устанавливаться на крышах. В настоящее время плёночные конструкции оснащаются различными типами каскадных элементов, обладающих многослойной структурой. Вместо одного, в них имеется несколько р-п переходов, что в значительной степени увеличивает эффективность таких модулей. В результате, электрическая энергия, генерируемая панелями, снижает свою себестоимость в два раза относительно кремниевых элементов. На всей площади плёнки с тремя переходами КПД составляет 31%, а при пяти переходах это значение может достичь 43%. Благодаря постоянному развитию технологий, тонкопленочные солнечные батареи в ближайшее время станут доступными для большинства населения. Они будут не только дешевыми, но и эффективными. Обычно солнечные элементы электрически связаны и герметичны как модуль. Часто солнечные элементы соединены в ряд модулей, создающих дополнительное напряжение. Подключение элементов параллельно дает более высокий ток. Таким образом, модули могут быть взаимосвязаны последовательно или/и параллельно, чтобы создать батарею с желаемым максимальным напряжением и током. Мощность солнечных батарей измеряется в ваттах или киловаттах. Это удобно для того, чтобы рассчитать обычные энергетические потребности, измерения в Втч, кВтч или кВт в день часто используется. Общее практическое правило заключается в том, что средняя мощность равна 20% пиковой мощности, так что каждый киловатт-пик выходной энергии в солнечной батареи, соответствует такой выработки энергии: 4,8 кВт-ч в день (24 часа х 1 кВт х 20% = 4,8 кВт / ч). Эффективность преобразования энергии определяется делением электроэнергии производимой в элементе на мощность источника света падающего на этот элемент. Существует множество факторов, которые влияют на электрическую выходную мощность, включая спектральное распределение, пространственное распределение мощности, температуру, резистивную нагрузку применяемые к элементу. Используется стандарт МЭК 61215 для сравнения производительности элементов и этот стандарт создается вокруг земных, умеренных условий. Стандартная температура и условия (СТУ): излучение от 1 kW/м^2, спектральное распределение близко к солнечной радиации МВ (масса воздуха)1,5 и температура элемента 25 °C. Резистивная нагрузка варьируется до пика или достигается точка максимальной мощности. Мощность, на этой стадии, записывается как максимальная мощность (ММ). Такой же стандарт используется для измерения мощности и эффективности фотоэлектрических модулей, Воздушные массы имеют влияние на выходную мощность. В пространстве, где нет атмосферы, спектр солнца относительно нефильтрованный. Однако, на земле, где с воздухом фильтруется падающий свет, солнечный спектр меняется. Для подсчета спектральных различий, была разработана система, которая вычисляет этот фильтрующий эффект. Обычно, фильтрующий эффект варьируется от массы воздуха 0 (0 МВ) в пространстве, приблизительно до 1,5 МВ на Земле. Умножая спектральные различия на квантовую эффективность солнечного элемента, получим эффективность установки. Например, кремниевый солнечный элемент в пространстве, может иметь эффективность 14% при 0 МВ, но при этом иметь эффективность 16% на земле при 1.5 МВ. То есть эффективность при наземных условиях, как правило, больше, чем при космических. Эффективность солнечного элемента варьируется от 6% для аморфных кремниевых солнечных элементов до 40,7% с много переходными элементами и 42,8% с множеством слоев, собранных в гибридную интегральную схему. Высокая эффективность элементов – это не всегда экономично. Например, 30% эффективный много переходной элемент на основе необычных материалов, таких как галлий арсенид, или селенид индия, который производится мелкосерийно, может стоить в 100 раз дороже, чем 8% эффективный аморфный кремниевый элемент массового производства, в то время как выработка электроэнергии только в 4 раза быстрее. Однако существует способ "повышения" солнечной энергии. При увеличении интенсивности света, как правило, фото генерированные носители возрастают, что приводит к повышению эффективности до 15%. Эти так называемые "системы-концентраторы" только начали становиться конкурентоспособным, как результат развития высокоэффективных солнечных элементов на основе арсенид галлия. Увеличение интенсивности, как правило, осуществляется с помощью концентрации оптики. Типичная система-концентратор может использовать интенсивность света в 6–400 раз больше солнца, а также повысить эффективность одного солнечного элемента на основе арсенид галлия от 31% при 1,5 МВ до 35%.

Высокоэффективные солнечные элементы являются классом солнечных элементов, которые могут генерировать больше электроэнергии за единицу солнечной энергии (Вт / Вт). Большая часть промышленности сосредоточена на наиболее экономически эффективных технологиях с точки зрения затрат на генерируемую мощность. Две основные стратегии для снижения стоимости фотоэлектричества – это повышение эффективности элементов и снижение их стоимости на единицу площади. Однако повышение эффективности солнечного элемента без снижения общей стоимости за киловатт в час является менее экономично, так как солнечный свет бесплатный. Так, или иначе "эффективность" вопроса, зависит от того, определяется ли "стоимость" как стоимость за единицу падения солнечных лучей на элемент, либо как стоимость за единицу площади, или за единицу веса элемента, или за единицу производимой элементом энергией.

По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВтч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВтч для установок в жилых зданиях (5).

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4x4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Saitek, CEA-Let и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 %. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46% .

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе нано антенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200–300 нм) светом (то есть электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Нано антенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85 %.

При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД 44,7%.

Солнечные элементы на основе монокристаллического кремния наиболее востребованный вид фотоэлементов на рынке солнечной энергетики (более 80% всех производимых фотоэлементов). Во многом это обусловлено высоким КПД, надежностью и освоенностью технологии получения монокристаллического кремния.