Cолнечные панели

Cолнечные панели 

В вентильных фотоэлементах чаще всего используется кремний – полупроводник, атом которого состоит из ядра и трех слоев электронов, причем, внешний слой состоит из четырех электронов (рис. 3.11.1). Если ввести в кристаллическую решетку кремния атомы фосфора, у которого внешний электронный слой состоит из пяти электронов, то в таком полупроводнике
(n-полупроводнике) могут в определенных условиях возникать свободные электроны; в полупроводниковых приборах такой полупроводник служит поэтому эмиттером. При добавке к кремнию атомов бора, имеющих во внешнем электронном слое три электрона, получается p-полупроводник, который в полупроводниковых приборах может служить коллектором. Между двумя тонкими слоями p - и n-полупроводников (толщиной в несколько микрометров) образуется pn-переход или зона объемного заряда. Если в эту зону через прозрачный, обращенный к источнику излучения электрод попадают фотоны, обладающие достаточно большой энергией, то они вызывают разделение отрицательных и положительных зарядов и движение носителей заряда (электронов и дырок) к противоположным электродам. В результате этого возникает электродвижущая сила, составляющая в бестоковом состоянии приблизительно 0,6 V; если внешняя электрическая цепь замкнута, то в ней возникает электрический ток. При нормальной токовой нагрузке напряжение фотоэлемента равно приблизительно 0,5 V.

Рис. 3.11.1. Принципиальное устройство атомов бора, кремния и фосфора.  1  ядро,  2  внутренние электронные слои,  3  внешний электронный слой

На рис. 3.11.2 изображен принцип устройства наиболее распространенного кремниевого фотоэлемента. Чтобы предотвращать нежелательное отражение излучения с поверхности фотоэлемента, ее покрывают антиотражающим слоем, в качестве которого обычно используют двуокись титана TiO2 . Суммарная толщина фотоэлемента находится в настоящее время обычно в пределах от 0,2 mm до 0,3 mm, а его площадь может достигать
15 cm × 15 cm. Для получения подходящего напряжения и тока, фотоэлементы объединяют путем комбинирования последовательного и параллельного соединений в модули, а те, в свою очередь, в батареи или их секции.

Рис. 3.11.2.  Принцип устройства кремниевого фотоэлемента. 
1  антиотражающий слой,  2  нихромовый (NiCr-) электрод, состоящий из узких полос,  3  n-полупроводник (например, кремний с добавкой фосфора) толщиной приблизительно 2 μm,  4  pn-переход, 
5  p-полупроводник (например, кремний с добавкой бора),
6  металлический электрод,  7  фотон и возникающая под его действием пара носителей заряда

Так как коэффициент преобразования кремниевого фотоэлемента зависит от длины волны принимаемого излучения, а максимум спектрального коэффициента преобразования не совпадает с максимумом спектрального распределения солнечного излучения (рис. 3.11.3), то часть фотонов поглощается в фотоэлементе без генерации носителей зарядов (превращаясь в тепло). Так как возникают и другие потери энергии, то теоретическое предельное значение электрического кпд монокристаллического кремниевого фотоэлемента равно приблизительно 28 %. На лабораторных опытных образцах фактически получен кпд до 24 %, а на фотоэлементах промышленного производства – 14…17 %. В соответствии с этим плотность тока на электродах при облученности в 1 kW/m2 составляет приблизительно 300…400 A/m2.

Рис. 3.11.3.  Сравнение относительного спектрального распределения излучения Солнца на поверхности Земли (1, упрощенно; см. также рис. 2.2.1) и относительного спектрального коэффициента преобразования типичного кремниевого фотоэлемента (2).  λ  длина волны

Если вместо монокристаллического использовать более дешевый поликристаллический кремний, то возникают дополнительные потери на дефектах кристаллической решетки, и кпд промышленных фотоэлементов в таком случае находится обычно в пределах от 13 % до 15 %. Еще меньше кпд в случае использования аморфного кремния (5…7 %), но тогда фотоэлемент может создаваться путем осаждения кремния тонким слоем (менее 1 μm) на стекло, что существенно снижает расход материалов и стоимость фотоэлемента. В качестве электродов в этом случае могут использоваться пленки из окислов металлов, в которые для увеличения электрической проводимости добавлены подходящие химические элементы (например, SnO2:F или ZnO:Al). Так как электроды и полупроводниковые слои предельно тонки, то они относительно мало уменьшают прозрачность стекла, что позволяет эффективно использовать такое стекло, например, в световых фонарях зданий.

Условные обозначения фотоэлемента и вентильного полупроводникового фотодиода представлены на рис. 3.11.4 [3.1], а фотоэлектрического модуля – на рис. 3.11.5 [3.23].

Рис. 3.11.4.  Условные обозначения фотоэлемента (слева) и вентильного фотодиода (справа)

Рис. 3.11.5.  Условные обозначения фотоэлектрического модуля

Кроме кремния в фотоэлементах используются и другие полупроводниковые материалы – наиболее часто арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди и индия (CuInSe2 ). Каждый из них имеет различный спектральный коэффициент преобразования и, если создать комплексный элемент, в котором последовательно соединены два или три фотоэлемента, чувствительных к различным спектральным полосам солнечного излучения, то суммарная полоса чувствительности расширяется и кпд соответственно повышается. Такие фотоэлектрические преобразователи называются тандемными фотоэлементами, и их кпд может достигать 40 %.

Количество дорогого полупроводникового материала в фотоэлементах можно уменьшить путем применения концентраторов излучения (например, линз), которые могут увеличить облученность на поверхности фотоэлемента до нескольких десятков раз. Кпд батарей тандемных фотоэлементов, снабженных концентраторами излучения, в настоящее время доходит приблизительно до 35 %. Однако при использовании концентраторов модуль или батарею фотоэлементов необходимо снабжать автоматическим приводом, поворачивающим их всегда перпендикулярно лучам солнца.

Модули фотоэлементов могут изготовляться мощностью от нескольких милливатт до нескольких сотен ватт. Модули малой мощности находят применение для электропитания мелких электроприемников (часов, карманных калькуляторов и т. п.), а более крупные – для питания осветительных устройств, световых дорожных знаков и светосигнальных систем. Чтобы обеспечить непрерывность электропитания, к фотоэлементным модулям подключают аккумуляторы. Модули могут соединяться и в батареи мощностью до нескольких десятков (иногда и до нескольких сотен) киловатт, используемые в качестве местных источников электропитания, обычно соединенных с электрической сетью. Такие батареи устанавливаются обычно на крышах или на южных наружных стенах зданий. Солнечными батареями снабжаются и все искусственные спутники Земли и космические станции. На фотоэлектрических электростанциях суммарная мощность солнечных батарей может достигать 10 MW и более (см. раздел 6.7). В опытном порядке солнечные батареи используются и как источники питания электромобилей и электрических лодок.

Преимущества фотоэлементов как источников электропитания заключаются в отсутствии подвижных частей, в отсутствии вредного действия на окружающую среду, в простоте обслуживания и в высокой надежности. Их срок службы находится обычно в пределах от 30 до 40 лет. Их недостатками считают высокую удельную стоимость (1500…4000 €/kW), низкий коэффициент использования максимальной мощности (даже в регионах с большим числом солнечных дней солнечная батарея мощностью 1 kW может генерировать только 1000…2400 kWh электроэнергии в год) и, следовательно, высокую себестоимость электроэнергии (обычно 10…50 евроцентов на 1 kWh).

Так как облученность от солнечного излучения составляет на уровне земли приблизительно 1 kW/m2, то площадь фотоэлектрических модулей, при их кпд от 5 % до 15 %, должна быть приблизительно 6…20 m2/kW. Солнечные батареи требуют, следовательно, для своего размещения относительно больших земельных участков. Если солнечные батареи должны присоединяться к электрическим сетям или если они должны питать электроприемники переменного тока, то их следует снабжать инверторами. Автономные солнечные батареи, чтобы обеспечить при их прерывистой работе беспрерывное питание электроприемников, должны, кроме того, снабжаться аккумуляторными батареями (рис. 3.11.6).

Рис. 3.11.6.  Принципиальная схема установки, состоящей из солнечной батареи (1), инвертора (2) и аккумулятора (3). Коммутационные и другие вспомогательные аппараты не показаны

монокристаллический элемент КПД 15-22 %

поликристаллический (или мульти-) элемент КПД12-17 %

http://www. taastuvenergia. ee/monokristall-paikesepaneel. html

http://www. ewea. org/fileadmin/files/library/publications/statistics/EWEA_Annual_Statistics_2013.pdf

https://www. /watch? v=_pN-ePkvEuU

https://www. /watch? v=GtdGC6hRT2E&feature=youtu. be

https://www. /watch? v=m5TDd0P31nY

https://www. /watch? v=DhaWUAKFBqc

https://www. /watch? v=ASO0-Cijs80

У монокристаллических элементов углы скругленные и поверхность однородная. Скругленные углы связаны с тем, что при производстве монокристаллического кремния получают цилиндрические заготовки. Однородность цвета и структуры монокристаллических элементов связана с тем, что это один выращенный кристалл кремния, а кристаллическая структура является однородной.

В свою очередь, поликристаллические элементы имеют квадратную форму из-за того, что при производстве получают прямоугольные заготовки. Неоднородность цвета и структуры поликристаллических элементов связана с тем, что они состоят из большого количества разнородных кристаллов кремния, а также включают в себя незначительное количество примесей.

Монокристаллические элементы и соответственно панели на их основе имеют на сегодняшний день наивысшую эффективность — до 22% среди серийно выпускаемых и до 38% у используемых в космической отрасли. Монокристаллический кремний производится из сырья высокой степени очистки (99,999%).

Серийно выпускаемые поликристаллические элементы имеют эффективность до 18%. Более низкая эффективность связана с тем, что при производстве поликристаллического кремния используют не только первичный кремний высокой степени очистки, но и вторичное сырье (например, переработанные солнечные панели или кремниевые отходы металлургической промышленности). Это приводит к появлению различных дефектов в поликристаллических элементах, таких как границы кристаллов, микродефекты, примеси углерода и кислорода.

Эффективность элементов в конечном счете отвечает за физический размер солнечных панелей. Чем выше эффективность, тем меньше будет площадь панели при одинаковой мощности.

Производительность солнечной панели на 1 kW мощности:

http://re. jrc. ec. europa. eu/pvgis/apps4/pvest. php

Рекомендуемое расположение панелей в Эстонии

( для ходатайствующего о поддержке проекта для частных домов в связи с постановлением министерства окружающей среды Majandus - ja kommunikatsiooniministri mддruse „Rohelise investeerimisskeemi “Vдikeelamute rekonstrueerimise toetus” kasutamise tingimused ja kord“ https://www. riigiteataja. ee/akt/120042012007?leiaKehtiv)

PV – панели – фотоэлектрические солнечные панели для производства электроэнергии с к. п.д. 5 – 20% .  С целью максимальной производительности рекомендуется устанавливать в направлении на юг под углом 40-500 относительно поверхности земли. Если нет возможности следовать именно этим рекомендациям, то разрешается изменять угол и направление установки таким образом, чтобы производительность панелей не уменьшилась более чем на 20%.

При установке панели на юг и под  углом 400 расчетная производительность на 1 kW мощности составляет  около 890 kWh электроэнергии в год.

При установке солнечных  коллекторов для производства горячей воды для частного дома и семьи из 4-х человек устанавливать 4 m2 коллектора, что обеспечит производство  около 10 литров горячей воды на 1 m2 коллектора. Производительность солнечного коллектора зависит от климатического расположения и расположения и угла наклона коллектора. Годовой солнечный ресурс – 950-1000 kWh/m2, что обеспечивает около 10% от общего теплопотребления  здания или 30% потребления в горячей воде. Стоимость солнечного коллектора – 500-700 евро/ m2. Годовая производительность коллектора – около 300-500 kWh/m2.

Микропроизводитель электроэнергии

Микропроизводитель электроэнергии – это малый производитель электроэнергии, который для производства на собственные нужды использует установки, производящие электроэнергию из востанавливающихся источников энергии, но при избыточном производстве желают излишки электроэнергии продать в распределительную сеть.

В соответствии со стандартом  EVS-EN 50438:2008 микропроизводящая установка – та, у которой номинальный ток фазы не превышает 16А как для одно - или трехфазного напряжения 230/400V в сети низкого напряжения.

В  случае нескольких установок в пункте присоединения с сетью суммарный ток фазы не должен превышать 16 А. При этом микропроизводителем квалифицируется производящая установка или группа установок, мощность которых менее 11 kW в одном пункте присоединения или  однофазная установка мощностью 3,67 kW.

Cхемы присоединения микропроизводящих установок

Требования Elektrilevi  к присоединению

https://www. elektrilevi. ee/ru/liitumine-mikrotootjale

On-grid – присоединение

Off-grid – присоединение

ШИМ-контроллер или PVM ( широтно-импульсная модуляция) для понижения напряжения до заданного значения.

На более мощных установках используется MPPT (Maximum power point tracker) – контроллер

http://www. taastuvenergia. ee/mppt-kontroller. html

Примеры готовых решений

http://www. xn--pikesepaneelid-5hb. ee/epood/9-paikesekomplektid

Интенсивность солнечного излучения в Эстонии соответствует интенсивности солнечного излучения в центральной Германии.

На 1 kW  PV-панели можно произвести  880 kWh/год электроэнергии.

Солнечные панели Вирумааского колледжа он-лайн:

http://192.168.4.98 ja http://192.168.4.99