Чтение онлайн

Повышение КПД ФЭП – основная задача ученых, занятых проблемами солнечной энергетики. Будущее солнечной энергетики в настоящее время видится в развитии нано технологий, как наиболее прогрессивных и революционных областей современной науки. Развитие технологий солнечной энергетики происходит по пути совершенствования материала слоев полупроводников. Наибольшие перспективы, открывающие качественно новый уровень в создании солнечных элементов, имеют в настоящее время аморфный и микрокристаллический кремний, из которых возможно выращивать пленки, толщиной всего несколько нанометров. Фотогальванический элемент, представляющий из себя две такие пленки, осажденные одна на другую на стеклянной поверхности, обладает высокой электропроводимостью и пригоден для длительного применения. Тем не менее практического применения эти элементы до сих пор не получили, поскольку технология, позволяющая массово выпускать такие элементы еще не создана

Тонкопленочные фотоэлементы представляющие собой тонкую пластину из стекла с нанесенными слоями полупроводников либо фольгу, можно размещать на поверхности любой конфигурации, наносить на ткани, даже использовать вместо жалюзи. Коренным образом изменилась и технология нанесения слоев полупроводника. Ранее нанесение осуществлялось путем вакуумного напыления, в настоящее же время разработана инновационная технология – печатание специальными чернилами, содержащими смесь полупроводниковых нано частиц. Применение новой технологии и увеличение объемов производства привели к значительному удешевлению солнечной электроэнергии.

Основным показателем эффективности фотоэлементов является коэффициент полезного действия – отношение количества энергии, поступившей на фотоэлемент, к количеству энергии, получаемой потребителем. Наибольшей эффективности работы (КПД) фотоэлектрических панелей можно добиться только при их установке перпендикулярно падающим солнечным лучам. Угол наклона солнца относительно горизонта меняется как в течение суток так и в течение года. Для увеличения КПД солнечных электростанций применяют системы автоматического слежения за солнцем (трэкеры). Такие установки дороги и сложны в установке, поэтому их применение оправдано только при большом количестве панелей. Ещё одним эффективным способом повышения энергоотдачи фото панелей является применение концентраторов солнечного излучения: линзы Френеля, параболические концентраторы, гелиостаты. Но увеличение плотности энергии, поступающей на фото панель приводит к необходимости использования систем охлаждения, что делает конструкцию более сложной. Солнечный модуль – это батарея взаимосвязанных солнечных элементов, заключенных под стеклянной крышкой, рис. 2. Чем интенсивнее свет, падающий на фотоэлементы и чем больше их площадь, тем больше вырабатывается электричества и тем больше сила тока.

Рис. 2. Солнечный модуль

Модули классифицируются по пиковой мощности в ваттах (Вт). Один пиковый ватт – техническая характеристика, которая указывает на значение мощности установки в определенных условиях, т.е. когда солнечное излучение в 1 кВт/м2 падает на элемент при температуре 25°С. Такая интенсивность достигается при хороших погодных условиях и Солнце в зените. Чтобы выработать один пиковый ватт, нужен один элемент размером 10 x 10 см. Более крупные модули, площадью 1м x 40см, вырабатывают около 40–50 Вт. Однако солнечная освещенность редко достигает величины 1 кВт/м2. Более того, на солнце модуль нагревается значительно выше номинальной температуры. Оба эти фактора снижают производительность модуля.

Эффективность широко применяемых фотоэлементов и модулей, достигнутых в лабораторных условиях представлена в таблице 2.

Соединение нескольких фотоэлектрических элементов вместе образует фотоэлектрический модуль (ФЭМ) или солнечные панели (СП). Для получения большой мощности несколько ФЭМ соединяется в фотоэлектрические батареи.

В течение ряда лет разработано множество типов солнечных элементов на основе кремния. В настоящее время широко используются следующие типы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), изготовленных из различных полупроводниковых материалов. ФЭП из поликристаллических фотоэлектрических элементов. рис.3, наиболее распространены ввиду оптимального соотношения цены и КПД среди всех разновидностей панелей, КПД которых составляет 12–14%. Такие панели имеют синий цвет и кристаллическую структуру

Таблица 2. Эффективность фотоэлементов и модулей

Рис. 3. Поликристаллический ФЭП

ФЭП из монокристаллических фотоэлектрических элементов, рис.4, более эффективны, а по цене более дорогие в пересчете на ватт мощности. КПД таких панелей составляет 14–19%(4).

Рис. 4. Монокристаллический ФЭП

В связи с тем, что монокристаллические элементы имеют форму многоугольников, всю площадь трудно рационально использовать. Из-за этого удельная мощность солнечной батареи оказывается несколько ниже, чем удельная мощность отдельного ее элемента.

ФЭП из аморфного кремния, рис.5, имеют низкий КПД, в пределах 6–8%. Несмотря на это, среди всех кремниевых технологий фотоэлектрических преобразователей такие солнечные батареи вырабатывают самую дешевую электроэнергию.

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.