Фотоэлектрические (фотогальванические) технологии солнечной энергетики — PV. Фотоэлектрическая энергия

Промышленные фотоэлектрические установки

Уже несколько лет небольшие фотоэлектрические системы применяются в коммунальном электро-газо и водо-снабжении, доказав свою экономичность.

В большинстве своем они имеют мощность до 1 кВт и включают в себя аккумуляторы для накопления энергии. Они выполняют множество функций: от питания сигнальных огней на опорах ЛЭП для оповещения самолетов до контроля качества воздуха. Они продемонстрировали надежность и долговечность в коммунальном хозяйстве и готовят почву для будущего внедрения более мощных систем.

Энергоснабжающие предприятия изучают возможности фотоэлементов с точки зрения увеличения генерирующей мощности и удовлетворения все возрастающих требований к экологической и производственной безопасности. Крупные солнечные электростанции, состоящие из множества фотоэлектрических батарей, могут оказаться весьма полезными для энергокомпаний. Их создание занимает меньше времени, чем строительство традиционных электростанций, так как солнечные панели легко устанавливать и соединять. Компания может строить фотоэлектрические станции там, где в них есть потребность, так как размещение фотобатарей гораздо проще, чем выбор участка для традиционной электростанции. И, в отличие от традиционных электростанций, их можно расширять по мере необходимости. Наконец, фотоэлектрические станции работают бесшумно, не потребляют ископаемого топлива и не загрязняют воздух и воду. К сожалению, фотоэлектрические станции пока еще не очень динамично входят в арсенал коммунальных сетей, что можно объяснить их особенностями. При современном методе подсчета стоимости энергии, солнечное электричество все еще значительно дороже, чем продукция традиционных электростанций. К тому же фотоэлектрические системы вырабатывают энергию только в светлое время суток, и их производительность зависит от погоды.

Поэтому при планировании энергосистемы нужно учитывать эти особенности фотоэлектрической станции, чтобы правильно вписать ее в существующую систему производства, передачи и распределения энергии. Фотоэлектрические станции, тем не менее, занимают все больше места в планах энергопроизводителей. Например, в США коммунальные предприятия изучают возможность подключения фотоэлектрических систем к энергосетям в тех местах, где они имеют большую ценность. Так, добавление фотоэлектрической системы в непосредственной близости от потребителя помогает избежать потерь энергии, связанных с передачей на большие расстояния. Следовательно, фотоэлектрическая система имеет большую ценность для компании, если она расположена возле потребителя. Их можно также устанавливать на тех участках распределительной системы, которые обслуживают районы с быстро растущим населением. В этом случае фотоэлектрические установки устраняют необходимость увеличивать протяженность линий электропередач. Установка фотоэлектрических систем возле подстанций, распределяющих энергию, может предотвратить перегрузку расположенного на них оборудования.

Фотоэлементы не похожи ни на один источник энергии, который когда-либо использовался коммунальными предприятиями. Они требуют крупных начальных вложений, зато стоимость топлива равна нулю. Постройка угольных и газовых электростанций вначале обходится дешевле (относительно их производительности), но потом они требуют постоянных расходов на закупку топлива. Цена на топливо колеблется, и неизвестно, как она будет изменяться в будущем в связи с развитием природоохранного законодательства. Цены на ископаемые виды топлива будут расти, тогда как общая стоимость фотоэлементов (да и других возобновляемых источников энергии), как ожидается, будет продолжать падать, особенно если принимать во внимание их преимущества для окружающей среды.

Основные принципы оценки потенциала, барьеров и влияния солнечной энергии

Солнечное отопление

Этот раздел посвящен, в основном, активному солнечному отоплению, т.е. системам, в которых солнечная энергия превращается в тепло при помощи солнечных коллекторов, а затем посредством жидкости-теплоносителя подается к конечному потребителю. Еще один важный вид использования энергии Солнца - это пассивное солнечное отопление, когда дома проектируются так, чтобы улавливать максимум солнечной энергии, поступающей сквозь окна и нагревающей стены, и затем использовать ее для отопления помещений.

Cолнечный потенциал Годовое поступление солнечной энергии варьируется от 900-1000 кВт·ч/м2 на севере региона Балтийского моря до, к примеру, 1077 кВт·ч/м2 на территории Центральной Европы (Богемия) и до 1600 кВт·ч/м2 в Средиземноморском и Черноморском регионах на горизонтальной поверхности. На юге на наклонной поверхности показатель годового поступления солнечной энергии выше на 20%.

Оценка ресурса В условиях Европы поступающая солнечная энергия в большинстве случаев превосходит энергопотребление здания. К примеру, типичный многоквартирный жилой дом в Чехии получает 1077 кВт·ч/м2, тогда как каждый его этаж потребляет примерно 150 кВт·ч/м2 для отопления и еще 25-50 кВт·ч/м2 для освещения и приготовления пищи, что в целом равняется 875 - 1000 кВт.ч/м2 для пятиэтажного дома (этажи измерены в м2 горизонтальной поверхности). Поступающей в течение года солнечной энергии в целом достаточно, но полезный ресурс ограничен колебаниями солнечной энергии и емкостью аккумулирования. Корректную оценку доли полезного солнечного тепла можно сделать с учетом разных тепловых нагрузок.

Ограничения встроенных систем обычно состоят в том, что солнечное отопление может покрыть лишь 60-80% потребности в горячей воде и 25-50% отопления. Зависит это от местоположения дома и от типа системы. В Северной Европе ограничения составляют соответственно 70% и 30% для горячего водоснабжения и отопления помещений.

Анализ и опыт применения солнечных систем центрального отопления показывают, что они могут покрывать 5% потребления без аккумулирования, 10% с 12-часовым хранением, и около 80% -- с сезонным. Эти данные основаны на системах районного отопления жилого сектора, где средние теплопотери составляют 20%. Солнечные системы отопления без аккумулирования тепла, являются, безусловно, самым дешевым решением.

Солнечное отопление может обеспечивать около 30% потребности промышленных предприятий, которые используют тепло ниже 100 оC, если потребление тепла на них является стабильным. В зависимости от времени года и температуры, солнечная энергия может обеспечить 100% потребности на сушку продукции.

Солнечный нагрев плавательных бассейнов может почти полностью обеспечить тепловую нагрузку закрытых и 100% для открытых бассейнов в летний период.

Таким образом, подсчет потенциала солнечного отопления - это, главным образом, вопрос оценки потребности в низкотемпературном тепле.

Барьеры В большинстве своем установки солнечного нагрева хорошо разработаны, и если встречаются трудности на пути их освоения, то они вызваны скорее отсутствием определенных материалов или технологий в данном месте, чем отсутствием технологий как таковых. Следовательно, основными барьерами, помимо экономических, являются: недостаток информации о существующих технологиях, их оптимальных решениях и интеграции в отопительные системы; нехватка квалифицированных кадров для производства и установки.

Иногда препятствием является нехватка солнечной энергии. Что касается активных систем солнечного отопления, практически всегда можно найти такое место для установки коллектора, где будет хватать солнечного света. В случае пассивной солнечной энергии, которая, как правило, проникает сквозь обычные окна, соседство с домами или деревьями может привести к серьезному сокращению поступающей энергии.

Влияние на экономику, экологию и занятость населения

Экономика С экономической точки зрения, применение солнечной энергии может быть как практически бесплатным, когда пассивные солнечные системы интегрируются в план дома или участка земли, так и весьма дорогостоящим, как в случае применения систем солнечного отопления с сезонным аккумулированием теплоты. Приведем ценовые показатели для солнечных отопительных систем:

Применение	Площадь коллектора, м2	Годовое производство, кВт·ч	Инвестиции /на 1 м2 площади	Инвестиции/ годовое производство
Горячее водоснабжение частного дома, Северная Европа	4-6	2000	1000 евро	2.5 евро/кВт·ч
Горячее водоснабжение частного дома, Южная Европа	4	2500	250 евро	0.4 евро/кВт·ч
Открытый бассейн	100	10000	10 евро	0.1 евро/кВт·ч
Районное теплоснабжение	1000	440	181 евро	0.41 евро/кВт·ч

Примечание: Под солнечным коллектором для горячего водоснабжения дома для одной семьи в Северной Европе понимается типовая система, используемая в Скандинавских странах и в Германии (антифризовый носитель, высокий уровень изоляции, замкнутый контур). Под системой для частного дома, расположенного в Южной Европе понимается термосифонная система, используемая в Греции. Цены в Центральной и Юго-Восточной Европе значительно ниже. Годовой объем производства электроэнергии приводится для условий Северной Европы (кроме южноевропейской системы для частного дома). В большинстве случаях использования систем в Северной Европе, солнечные коллекторы заменяет собой газовые или бензиновые обогреватели, КПД которых в летнее время очень низкий (часто 30-50%). Экология Собранное солнечными коллекторами тепло заменяет энергию, произведенную при помощи загрязняющих окружающую среду технологий. В этом состоит главный экологический эффект солнечной энергетики. Обычно солнечные коллекторы устанавливают на крышах зданий, при этом они не оказывают никакого влияния на вид и экологию данной местности. Энергия, затраченная на производство солнечного коллектора, равна энергии, которую коллектор производит в течение 1-4 лет.

Вопрос занятости Большинство рабочих мест в этой отрасли приходится на производство и установку солнечных коллекторов. На опыте Дании, занятость оценивается в 17 человеко-лет на производство и установку 1000 м2 семейных солнечных коллекторов. Эта тысяча квадратных метров замещает 800 МВт·ч первичной энергии (полезная энергия 400 МВт·ч). При сроке эксплуатации коллектора 30 лет, 700 человек будут постоянно заняты на производстве солнечных коллекторов, способных заменить 1 ТВт·ч энергии.

Доля солнечной энергии в национальной энергетике В принципе, потребность в тепле может быть полностью удовлетворена при помощи солнечной энергии в сочетании с сезонным аккумулированием. Поэтому для этого ресурса не существует абсолютной границы, есть лишь экономические ограничения. В Дании подсчитали, что без сезонного аккумулирования солнечная энергия может обеспечить 13 % тепловой нагрузки, в том числе коммерческое и промышленное потребление. В более солнечном климате эта доля, естественно, больше.

Фотоэлектрическая энергия

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество с производительностью, изменяющейся в зависимости от уровня солнечной радиации. Фотоэлементы объединяют в модули, которые составляют основной компонент фотоэлектрических систем. Модули рассчитаны на разное напряжение, вплоть до нескольких сотен вольт. Достигают этого путем соединения фотоэлементов и модулей в серии. Для питания электроприборов переменного тока необходимо использовать инверторы.

Коэффициент полезного действия фотоэлементов рассчитывается как процентное соотношение между энергией, поступившей на фотоэлемент и электроэнергией, поступившей к потребителю. Существует отличие между теоретической, лабораторной и практической эффективностью. Важно знать разницу между ними, а для пользователей фотоэлементов, конечно, имеет значение только практический КПД.

Практический КПД фотоэлементов массового производства: -- монокристаллический кремний: 16 - 17%; -- поликристаллический кремний: 14 - 15%; -- аморфный кремний: 8 - 9%.

Фотоэлектрические системы обычно подразделяют на: 1. Автономные системы, которые состоят только из фотоэлектрических панелей. Кроме того, в них могут входить регуляторы и аккумуляторы. 2. Гибридные системы, представляющие собой комбинацию фотоэлементов и дополнительных средств для производства электричества, таких как ветер, дизельное топливо или природный газ. В таких системах часто используются аккумуляторы и регуляторы меньшего размера. 3. Системы, соединенные с электросетью, фактически представляют собой небольшие электростанции, поставляющие электроэнергию в общую энергосеть.

Советы проектировщику При проектировании фотоэлектрической установки необходимо принять во внимание целый ряд различных факторов, чтобы найти оптимальные решения. Во-первых, необходимо выяснить, сколько энергии требуется от установки. После этого рассчитывается общее суточное потребление в ампер-часах. Из общего суточного и недельного потребления выводится общий объем аккумулирования энергии. Нужно учесть, в течение скольких пасмурных дней установка должна функционировать. И наконец, нужно оценить, сколько потребуется фотоэлектрических модулей, чтобы производить достаточное количество энергии. Фотоэлектрическую установку можно также комбинировать с другими источниками энергии. Удачно сочетаются, например, небольшой ветрогенератор и фотоэлементы. Полученная энергия может сберегаться в свинцовом или никель-кадмиевом аккумуляторе.

Оценка ресурса Доступная солнечная энергия изменяется в течение дня из-за относительного движения Солнца и в зависимости от облачности. В полдень при ясной погоде энергетическая освещенность, создаваемая Солнцем, может достигать 1000 Вт/м2, тогда как в условиях плотной облачности она может упасть до 100 Вт/м2 и ниже, даже в полдень. Количество солнечной энергии меняется вместе с углом наклона установки и ориентацией ее поверхности, снижаясь по мере удаления от южного направления.

Фотоэлементы заводского производства в продаже имеют определенную номинальную мощность, выраженную в ваттах пиковой мощности (Втп). Это показатель их максимальной мощности в стандартных условиях испытаний, когда солнечная радиация близка к своему максимальному значению в 1000 Вт/м2, а температура поверхности фотоэлемента 25 оC. На практике же фотоэлементам редко приходится работать в таких условиях. Приблизительно мощность (P) фотоэлектрической системы оценивается по формуле:

P (кВт·ч/день) = Pp (кВт) * I (кВт·ч/м2 в день) * P где: Pp - номинальная мощность в кВт, эквивалентная КПД, умноженному на площадь в м2 I -- экспозиция солнечного излучения на поверхности, в кВт·ч/м2 в день PR - коэффициент производительности системы.

Среднесуточное значение солнечной освещенности (I) в Европе в кВт·ч/м2 в день (наклон к югу, угол наклона к горизонту 30 градусов) приводится в таблице.

	Южная Европа	Центральная Европа	Северная Европа
Январь	2,6	1,7	0,8
Февраль	3,9	3,2	1,5
Март	4,6	3,6	2,6
Апрель	5,9	4,7	3,4
Май	6,3	5,3	4,2
Июнь	6,9	5,9	5,0
Июль	7,5	6,0	4,4
Август	6,6	5,3	4,0
Сентябрь	5,5	4,4	3,3
Октябрь	4,5	3,3	2,1
Ноябрь	3,0	2,1	1,2
Декабрь	2,7	1,7	0,8
За год	5,0	3,9	2,8

Типичные коэффициенты производительности: 0,8 для систем, соединенных с сетью; 0,5 - 0,7 для гибридных систем; 0,2 - 0,3 для автономных систем, используемых круглый год.

Типичные характеристики системы Автономные системы отличаются более низкой эффективностью, так как работают они при почти постоянной нагрузке круглый год, а размер их фотоэлектрических модулей рассчитывается так, чтобы они давали достаточно энергии зимой, хоть это и означает ее перепроизводство летом. Типичная профессиональная система в Европе вырабатывает в год в среднем 200-550 кВт·ч/кВтп.

У гибридных систем более высокий коэффициент производительности, так как их размер соответствует необходимой нагрузке летом, а зимой и в ненастную погоду их дополняет другая система - ветроустановка или дизель-генератор. Типичная среднегодовая выработка такой системы составляет 500-1250 кВт·ч/кВтп в зависимости от потерь, вызванных регулятором заряда и аккумулятором.

Фотоэлектрические системы, подключенные к электросети, отличает наилучший коэффициент производительности, так как весь объем произведенной энергии либо полностью используется на месте, либо поступает в сеть. Типичная среднегодовая выработка 800-1400 кВт·ч/кВтп.

Барьеры Даже после резкого снижения цены, фотоэлементы в настоящее время стоят 5 долларов США за 1 Втп. Производство электричества стоит сегодня 0,5 - 1 доллар/кВт·ч, то есть дороже, чем от других возобновляемых источников. В будущем, по мере более широкого их применения, стоимость фотоэлементов должна уменьшиться. Несмотря на свою высокую стоимость, фотоэлектрическая энергия может оказаться дешевле других источников в отдаленных регионах, отрезанных от электросетей, или там, где производство электроэнергии другими способами (например, на дизель-генераторах) затруднено либо недопустимо по экологическим причинам (например, в горных местностях).

Влияние на такие аспекты развития региона как экономика, экология и занятость населения В современной Европе наиболее рентабельным является применение фотоэлектрических систем в регионах отдаленных от энергосети. Применение фотоэлектрических систем будет иметь большой положительный эффект на экономическое развитие этих регионов. Применение фотоэлектрических систем не оказывает никакого влияния на экологию. Экологические проблемы могут возникнуть в процессе производства фотоэлектрических элементов, производстве и (неправильной) утилизации аккумуляторов. На данный момент в Европе не ожидается какого-либо существенного влияния на увеличение роста занятости населения в отрасли.

НЕКОТОРЫЕ ПРАВИЛА На территории Центральной Европы каждый кВт·ч установленной мощности обычной фотоэлектрической системы (кристаллический кремний, кпд 12%), присоединенной к энергосети, может "производить" 1150 кВт·ч электроэнергии в год и до 300 кВт·ч электроэнергии в год в случае с децентрализованной установкой.

< Предыдущая Следующая >

www.windsolardiy.com

Фотоэлектрическая энергетика | Энергия

Фотоэлемент (фотоэлектрическая ячейка) — особый вид полупроводникового диода, который преобразует видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение в электричество. Фотоэлементы, используемые для преобразования в-электроэнергию солнечного света обычно называются солнечными батареями. Один из наиболее распространенных типов солнечных батарей производится из особым образом обработанного кремния (Широко распространенное в речи (да и в СМИ) название кремния — силикон (например, Силиконовая долина) — ошибочно. По всей видимости, эта ошибка возникла из-за того, что названия двух разных материалов — silicon (кремний) и silicone (силикон, полимерный материал на основе кремния) — сходны при произношении до полного совпадения. Так что Silicon Valley — центр электронной, компьютерной и микроэлементной промышленности в США — это Кремниевая долина.) и называется кремниевым фотогальваническим элементом (КФЭ).

Структура и принципы работы

Он делается из кремния двух типов: кремний р-типа (дырочный) и п-типа (электронный). Основой этого устройства является поверхность соприкосновения этих материалов, называемая р-п-переходом (электронно-дырочный переходом). Верх элемента прозрачен, чтобы солнечный свет падал непосредственно на кремний. Положительный электрод сделан в виде металлических ребер жесткости, соединенных тонкими проводами. Отрицательный электрод — металлическая подложка, находящаяся в контакте с кремнием п-типа.

Когда лучистая энергия падает на p-n-переход, между материалами р-типа и п-типа возникает разница потенциалов, т. е. электрическое напряжение. При подключении к элементу нагрузки сила тока возрастает пропорционально яркости света, падающего на р-н-переход, вплоть до определенного критического значения. При усилении интенсивности освещения сила тока в элементе достигает максимума, называемого током насыщения, и выравнивается на этом значении. Отношение вырабатываемой электроэнергии к силе света, падающего на КФЭ, называется коэффициентом преобразования, или КПД (коэффициентом полезного действия) элемента.

www.enersy.ru

Что такое фотоэлектрический эффект?

Определение — фотоэлектрический или фотогальванический эффект, наглядно демонстрирует фотоэлектрическая ячейка. Полупроводник такого типа используется в конструкции солнечной панели, где преобразует свет солнца в электрическую энергию. Отсюда уже можно сделать вывод: определение фотоэлектрический эффект — это способность полупроводника генерировать электрический ток под воздействием света. Величина энергии, индуцируемой фотоэлектрической ячейкой, напрямую зависит от интенсивности света.

Содержимое публикации

Принцип фотогальванической ячейки

Электроны полупроводникового материала фотогальванической ячейки объединяются ковалентной связью. Электромагнитное излучение, в свою очередь, формируется посредством малых источников энергии, которые носят название — фотоны.

Воздействие фотонов на полупроводниковый материал вызывает активацию электронов. Энергию, образованную активными электронами, называют фотоэлектронной.

Само же явление эмиссии электронов – это и есть фотоэлектрический эффект. Очевидно, что эффективность работы фотогальванической ячейки находится в прямой зависимости от фотоэффекта.

Создание фотогальванической ячейки

Первые фотогальванические (фотоэлектрические) ячейки (PV-Cell) создавались на основе кремния, объединенного (легированного) с другими элементами, влияющими на поведение электронов или дырок (отсутствие электронов внутри атомов).

Структура фото-гальваники элемента: 1 — полупроводник P-типа; 2 — полупроводник N-типа; 3 — физическая граница P-N перехода; 4 — энергетическая нагрузка; 5 — спектр светового излучения

В последующем были исследованы и стали применяться другие материалы:

диселенид меди (CIS),
теллурид кадмия (CdTe),
арсенид галлия (GaAs).

Существуют два основных типа полупроводниковых материалов, характеризуемых как положительный (P-тип) и отрицательный (N-тип).

Структура фотогальванической ячейки содержит тонкие полоски этих материалов, объединённых вместе и разделённых физической границей (P-N-переходом).

Система сконструирована таким образом, чтобы соединение полупроводников оставалось открытым для получения эффекта от воздействия видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения.

Когда любой из отмеченных видов излучения попадает на соединение P-N, образуется эффект разности напряжений между материалами типа P и N. На электродах, подключенных к этим полупроводниковым слоям, появляется электрический ток.

Как составляется солнечная батарея?

Значения выходного напряжения и тока, полученные от одного элемента фотоэлектрической ячейки, крайне малы. Величина выходного напряжения составляет примерно 0,6В, а тока на уровне — 0,8 мА.

Батарея, собранная из отдельных фото-элементов: 1 — отдельно взятая фотоэлектрическая ячейка; 2 — блок из нескольких ячеек; 3 — батарея из блоков; 4,5 — энергетические терминалы

Чтобы увеличить эффект, используют различные комбинации ячеек. Существуют три возможных способа объединения фотоэлементов:

Последовательное.
Параллельное.
Комбинированное (последовательно-параллельное).

Когда более двух фотоэлементов соединяются последовательно один с другим, выходной ток остается неизменным, но напряжение увеличивается по числу ячеек.

При параллельной комбинации эффект обратный, когда напряжение остаётся неизменным, но величина тока увеличивается по числу параллелей.

Последовательно-параллельная комбинация приводит к эффекту одновременного увеличения напряжения и тока. Поэтому вполне логичным видится выбор, когда солнечные панели изготавливаются с использованием именно такой комбинации.

Фотоэлектрический эффект с научной точки зрения

Фото-электричество по праву считается наукой, направленной на изучение формы использования солнечной энергии. Это своего рода наука преобразования солнечного света непосредственно в электричество.

Фото-электричество научными исследованиями

Научный прототип: 1 — антибликовое покрытие; 2 — энергия света; 3 — дырки; 4 — электроны; 5 — проводник N-типа; 6 — проводник P-типа; 7, 8 — никель-серебряные терминалы; 9 — нагрузка

Эффект фото-электричества впервые удалось получить в 1839 году. Между тем лишь в 1954 году научному миру представилась возможность точного определения принципа возникновения эффекта.

Всевозможные космические программы сопровождались технологией фото-электричества. Именно эта система виделась лучшим источником энергии для питания искусственных спутников Земли.

В первую очередь благодаря космической отрасли индустрия фото-электричества получила успешное развитие. На текущий момент фотоэлектрический эффект удачно используется:

для питания электроники,
для электрификации автомобилей,
для энергоснабжения жилых домов и коммерческих зданий,
в качестве дополнения электрических сетей.

В связи с высокой эффективностью, снижением стоимости и повышенным экологическим фактором, несколько последних лет отмечается резкий рост интереса к фотоэлектрическим солнечным установкам.

Крупная фотоэлектрическая система

Крупная мощная фотоэлектрическая система выстраивается в виде солнечных панелей, нацеленных на объёмный захват фотонов света.

Промышленные солнечные панели имеют множество фотоэлектрических полупроводниковых элементов. Панель оснащается антибликовым покрытием, чем обеспечивается максимально возможный эффект захвата фотонов.

Один из ставших уже многочисленными примеров индустриальной системы производства альтернативной энергии при помощи фотоэлектрического эффекта. Площади покрытия впечатляют

Генерируемый панелями постоянный электрический ток через проводную систему передаётся либо на аккумуляторную станцию-накопитель, либо на инвертор.

При помощи инвертора постоянный ток преобразуется в энергию переменного тока. Как правило, именно этот вид электричества чаще всего используется в народном хозяйстве.

Как устанавливаются солнечные батареи?

Число и тип используемых солнечных панелей – эти параметры зависят от требуемого результирующего напряжения и тока, которые нужно получить от солнечной батареи.

Например, солнечная панель с выходным напряжением 12 вольт может содержать от 36 отдельных фотоэлектрических ячеек.

Под установку системы с фотоэлектрическим эффектом применяется один из трёх видов панелей:

Классические.
Тонкоплёночные.
Концентрированно-массивные.

Классика считается более эффективной в плане энергетики, но этому виду фотоэлектрических панелей характерны тяжёлый вес и крупные габариты. Поэтому классический вариант обычно применяется в крупных промышленно-хозяйственных проектах.

Тонкоплёночные панели – традиционный выбор для изготовления домашней установки альтернативной энергетики. Эффективность генерации энергии для этого вида панелей примерно вдвое ниже классики. Однако конструкция также примерно вдвое легче и по габаритам имеет вдвое меньшую массу.

Концентрированно-массивные панели являются новым технологичным продуктом. Конструкция отличается внедрением линзы и зеркал, предназначенных для максимальной концентрации света солнца на батарее.

Концентрированно-массивные панели считаются наиболее эффективными, но пригодны для использования только в районах активного излучения.

Эта схема универсального контроллера на чипе LT8490 с модулем отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracker): 1 — батарея; 2 — АКБ; 3 — нагрузка; 4 — симистор температурной компенсации; У — управляющий сигнал; С1, С2 — терминалы слежения

Неотъемлемой составляющей установки панелей с фотоэлектрическим эффектом является трекер. Прибор отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracker). В современном виде это цифровой сканер, которым панельная система синхронизируется по местоположению солнца.

Фотоэлектрический эффект напрямую зависит от интенсивности солнечного света. Сила света солнца зависит от времени и движения Земли. Поэтому для обеспечения максимального поглощения света панель необходимо перемещать вслед за солнцем.

Дополнительное оборудование для батареи

Свет солнца можно считать неиссякаемой энергетической подпиткой для получения фотоэлектрического эффекта. Однако интенсивность солнечного света привязана к погодным условиям Земли. Поэтому уровень излучения не является постоянным.

Этот факт не позволяет использовать солнечные батареи исключительно только лишь в паре с инвертором – преобразователем постоянного тока в переменный ток.

Традиционно схема установки получения фотоэлектрического эффекта комплектуется дополнительным оборудованием:

аккумуляторами,
контроллером заряда аккумуляторов,
компенсатором температуры.

Таким образом, энергия от солнечной батареи накапливается в аккумуляторах, а контроллер регулирует границы заряда/разряда АКБ. Накопленная в аккумуляторах энергия постоянного тока передаётся на инвертор, где преобразуется в переменное напряжение, пригодное для быта или иных целей.

Урок о законах физики, связанных с фотоэффектом

zetsila.ru

8. Фотоэлектрическая генерация. Фотоэлементы и их характеристики. Теоретический кпд кремниевой батареи. Способы повышения эффективности фэ.

Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. В присутствии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. Устройства на полупроводниковых переходах обычно называются фотоэлементами или солнечными элементами.

Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован р-п-переход с тонким металлическим контактом; на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Материалы фотоэлементов: Монокристаллический кремний, Аморфный кремний, Арсенид галлия, Теллурид кадмия (один из наиболее перспективных).

Параметры и характеристики фотоэлементов:

􀂙 вольт-амперная характеристика

􀂙 световые характеристики

􀂙 частотная и спектральная чувствительность

􀂙 КПД

Теоретический КПД фотоэлементов 25%.

Теоретический предел КПД для кремниевого фотоэлемента 22-23%.

Реальные кремниевые солнечные батареи имеют КПД около 13%.

Энергия теряется на: 􀂙 отражение от поверхности (20%)

􀂙 фотоэлектрически неактивное поглощение (10-20%)

􀂙 рекомбинацию созданных светом пар носителей (до

25%) и т.д

Способы повышения эффективности ФЭ.

Переход на другие материалы:

􀂙 вместо структур на основе монокристаллического кремния - аморфный кремний или арсенид галлия GaAs.

9. Термоэлектрические преобразователи, принцип действия, эффективность, достоинства и недостатки

Термоэлектрические преобразователи

В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека. Если спаять концами два проводника разного химического состава и поместить спаи в среды с разными температурами, то между ними возникает термо-ЭДС.

В реальных преобразователях имеют место потери из-за электрического сопротивления проводников, их теплопроводности и термического сопротивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому действительный КПД установки равен:

При использовании металлических термоэлектродов КПД термоэлектрических преобразователей очень мал - не превышает сотых долей процента. Значительный эффект дает применение полупроводников -КПД возрастает до величины порядка 10%.

Такого рода генераторы применяются в качестве автономных источников электроэнергии для потребителей малой мощности – маяков, морских сигнальных буев и т.п.

Главные преимущества термопар: - широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков. - спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом. - простота изготовления, надежность и прочность конструкции. Недостатки термопар: - необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС. - возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов. - материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. - на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей. - зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала. - когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

studfiles.net

Фотоэлектрические (фотогальванические) технологии солнечной энергетики - PV

СЭС Фотоэлектрические (фотогальванические, photovoltaic, сокращенно — PV) солнечные технологии основаны на использовании специальных панелей с ячейками, состоящих из двух слоев различных полупроводниковых материалов (пример, кремния), с помощью которых солнечный свет преобразуется в электричество, которое затем передается в электросеть, а на автономных станциях за счёт установки аккумуляторов есть возможность накапливать электроэнергию для использования, например, в тёмное время суток. Солнечные электростанции состоят из солнечных модулей, подключённых в единую цепь, инверторов и другого оборудования.

Мировой рынок фотовольтаической солнечной энергетики

По данным доклада МЭА по оценке успехов в области внедрения технологий возобновляемой энергетики в мире Tracking Clean Energy Progress 2017, доля фотоэлектрической солнечной энергетики от всей производимой в мире энергии из возобновляемых источников составила 5%.

В 2016 году цены на фотоэлектрическую солнечную энергию по долгосрочным контрактам на будущие проекты в Чили и Арабских Эмиратах уже опустились до уровня ниже 30 долл США за мегаватт-час (МВт/ч), что является самым низким показателем в мире. В Мексике цены на контракты по строительству фотоэлектрических солнечных и наземных ветряных электростанций составили 28-55 долл США за МВт/ч.

Перспективы фотоэлектрической солнечной энергетики в мире

По прогнозу PV Market Alliance, совокупная установленная мощность фотоэлектрических активов в мире составит по результатам 2016 года порядка 60 ГВт мощности, а в 2017 году — около 70 ГВт. Производство электричества из источников фотовольтаической солнечной генерации, по прогнозу, утроится к 2021 году, сообщается в докладе МЭА по оценке успехов в области внедрения технологий возобновляемой энергетики в мире Tracking Clean Energy Progress 2017.

В соответствии с по прогнозом New Energy Outlook 2016 (NEO 2016), цена на PV-энергию снизится в ближайшие 25 лет на 60%, сделав ее самым дешевым видом энергии в мире уже к 2030 году.

Недавние и ближайшие мероприятия, посвященные технологиям PV

25-27 окт 2017 — RENEXPO Poland 2017: Выставка возобновляемой энергетики, Варшава (Польша)
18-20 окт 2017 — NAEE 2017: Выставка солнечной энергетики, Абуджа (Нигерия)
18-20 окт 2017 — PV Taiwan 2017: Выставка солнечной энергетики, Тайбэй (Тайвань)
30 мая — 2 июня 2017 — Intersolar Europe 2017: Выставка солнечной энергетики, Мюнхен (Германия)
30-31 мая 2017 — Brazil Power and Energy Summit 2017: Конференция по энергетике, Сан-Паулу (Бразилия)
23-25 мая 2017 — GreenPOWER 2017: Выставка возобновляемой энергетики, Познань (Польша)
23-25 мая 2017 — EnerSolar+ Brasil 2017: Выставка возобновляемой энергетики, Сан-Паулу (Бразилия)
17-19 мая 2017 — Solartech Indonesia 2017: Выставка солнечной энергетики, Джакарта (Индонезия)
17-19 мая 2017 — Power-Gen India and Central Asia 2017: Выставка возобновляемой энергетики, Дели (Индия)
27-29 апреля 2017 — REAP 2017: Выставка возобновляемой энергетики, Исламабад (Пакистан)

Проекты в сфере фотоэлектрической энергетики

Adams (Адамс) — солнечная электростанция (PV) — 82,5 МВт, ЮАР, 2017
Alfred (Альфред) — солнечная электростанция (PV) — 10 МВт, Канада
Ananthapuramu 2 (Анантхапураму 2) — солнечная электростанция (PV) — 100 МВт, Индия, 2018
Aomori (Аомори) — солнечная электростанция (PV) — 10,2 МВт, Япония, 2016
Apodi (Аподи) — солнечная электростанция (PV) — 162 МВт, Бразилия, 2018
Ashalim (Ашалим) — солнечная электростанция (CSP, PV) — 300 МВт, Израиль, 2017-18
Astoria 1 и 2 (Астория 1 и 2) — солнечная электростанция (PV) — 231 МВт, США, 2016
Aurora (Аврора) — солнечная электростанция (PV) — 150 МВт, США, 2016
Baynouna (Байноуна) — солнечная электростанция (PV) — 200 МВт, Иордания, 2019
BeamLight (БимЛайт) — солнечная электростанция (PV) — 10 МВт, Канада
Blythe Solar Power (Блайт Солар Пауэр) — солнечная электростанция (PV) — 485 МВт, США, 2016
Bungala Solar (Бунгала Солар) — солнечная электростанция (PV) — 275 МВт, Австралия, 2019
Cirata (Тирата) — плавающая солнечная электростанция (PV) — 200 МВт, Индонезия
Cisterna (Чистерна) — солнечная электростанция (PV) — 5,1 МВт, Италия
Darling Downs (Дарлинг Даунс) — солнечная электростанция (PV) — 110 МВт, Австралия, 2018
De Aar (Де Аар) — солнечная электростанция (PV) — 50 МВт, ЮАР, 2014
Delfzijl (Делфзейл) — солнечная электростанция (PV) — 30 МВт, Нидерланды, 2017
Dera Baba Jaimal Singh (Дера Баба Джаймал Сингх) — солнечная электростанция (PV) — 11,5 МВт, Индия, 2016
Don José (Дон Хосе) — солнечная электростанция (PV) — 238 МВт, Мексика, 2018
Droogfontein (Дроохфонтейн) — солнечная электростанция (PV) — 50 МВт, ЮАР, 2014
East Nusa Tenggara (Восточные Малые Зондские) — солнечные электростанции (PV) — 3 МВт, Индонезия
East Pecos (Ист Пекос) — солнечная электростанция (PV) — 120 МВт, США, 2017
Fayetteville (Фейетвилл) — солнечная электростанция (PV) — 92 МВт, США, 2017
Finis Terrae (Финис Терре) — солнечная электростанция (PV) — 160 МВт, Чили, 2016
Funafuti (Фунафути) — солнечная электростанция (PV) — 0,5 МВт, Тувалу, 2015

renewnews.ru

Фотоэлектрическая энергетика | Немецкий энергетический поворот

Фотоэлектричество — это термин, обозначающий использование солнечных панелей для производства электричества. Энергия солнца производит тепло, которое используется для обеспечения горячей водой и отопления помещений. Солнечное тепло может также использоваться для производства электричества по технологии концентрирования солнечной энергии (CSP), но она более применима в пустынях, чем в Германии.

Не будучи, как известно, особенно солнечной страной, Германия создала один из самых крупнейших в мире рынков фотоэлектричества. Стоимость фотоэлектричества за последние два десятилетия упала так значительно, как ни у одного другого вида возобновляемой энергии, и эксперты полагают, что оно сможет конкурировать с углем уже в течение следующего десятилетия. Солнечная энергия уже сейчас может обеспечивать до 50 процентов потребности Германии в электричестве в течение нескольких часов в сутки в солнечную погоду при низком уровне потребления. В июле 2015 года количество солнечной электроэнергии впервые превысило объем ядерной генерации. Однако пример Германии также показывает, что для развития фотоэлектрической энергетики энергетический рынок необходимо реструктурировать, поскольку солнечная энергия снижает оптовые тарифы на электричество, делая резервные электростанции все более нерентабельными.

Фотоэлектричество — то, о чем думает большинство людей, когда речь заходит о «солнечной энергии». Хотя она с давних пор считалась наиболее дорогим видом возобновляемой энергетики, за последние несколько лет (2008-2015 гг.) цена на солнечные панели снизилась приблизительно на 70 процентов.

Безусловно, Германия установила больше солнечных панелей, чем любая другая страна за исключением Китая. Их общая мощность составила почти 39 ГВт к концу 2015 года. Наибольшее количество солнечной энергии вырабатывается летом в послеобеденное время.

В Германии энергопотребление в летнее время ниже, чем в зимнее, потому что немцы в массе своей обходятся без кондиционирования воздуха летом, в то время как зимой требуется большое количество электричества для отопления и освещения. 30 апреля 2017 года производство солнечной энергии в стране достигло небывалого пика в 27,6 ГВт, что составило треть от общей потребности в электроэнергии, при этом одна только солнечная энергия составила около шестой части объема потребления электроэнергии в течение дня в целом.

Сторонники фотоэлектричества годами указывали на то, как производство солнечной энергии совпадает с пиковой потребностью в обеденное время, так что относительно дорогое фотоэлектричество оказалось хорошей заменой еще более дорогим источникам энергии для покрытия этой пиковой потребности. Почти повсюду фотоэлектричество является отличным способом удовлетворения пиковой потребности, — повсюду, кроме Германии, поскольку в стране уже установлено так много фотоэлектрических мощностей, что пиковая потребность больше не является проблемой. Фотоэлектричество теперь обеспечивает значительную часть средней нагрузки в летнее время в Германии и может даже обеспечить небольшую часть базовой нагрузки.

В результате всего этого солнечная энергия радикально сокращает прибыль для владельцев традиционных электростанций, чьи установки теперь просто не способны работать на полную мощность; кроме того, они не могут продавать электроэнергию по высоким ценам, так как фотоэлектричество ликвидирует необходимость в пиковой мощности в дневное время. Все это произошло так быстро, что политики теперь ищут способы реструктурирования немецкого энергетического рынка, чтобы достаточное количество генерирующих мощностей под управлением диспетчера оставалось в сети в те зимние часы, когда Германия достигает абсолютного годового пика энергопотребления (около 80 гигаватт) и когда источника солнечной энергии нет в наличии. В связи с этим, Германия предлагает уникальный взгляд в будущее энергетической системы на основе возобновляемых источников энергии.

В самый короткий день 2016 года установленные в Германии фотоэлектрические мощности смогли выработать около 7 гигаватт — количество энергии, которое вырабатывают пять крупных ядерных реакторов за два часа, и, таким образом, внесли вклад в обеспечение пиковой нагрузки.

book.energytransition.org

Солнечные фотоэлектрические системы и варианты ее применения.

Дата добавления: 17.02.2015

Простые фотоэлектрические системы с прямым преобразованием энергии.

Фотоэлектрическая система для накачки воды Простая фотоэлектрическая система может осуществить накачку воды и вентиляцию. Фотоэлектрические модули вырабатывают наибольшее количество энергии в ясные, солнечные дни. Простые фотоэлектрические системы сразу же используют произведенный постоянный ток для работы насоса или вентилятора. Такие системы обладают преимуществами для решения простых задач. Энергия производится там и тогда, когда она необходима, поэтому прокладка проводов, аккумулирование и системы контроля не требуются. Небольшие - до 500 ватт - системы весят менее 70 кг, так что их легко перевозить и монтировать. Установка занимает всего лишь несколько часов.

Солнечные насосные установки.

Насосные солнечные фотоэлектрические системы являются долгожданной альтернативой дизельным генераторам и ручным насосам. Они качают воду именно тогда, когда она особенно нужна - в ясный солнечный день. Солнечные насосы просто устанавливать и эксплуатировать. Небольшой насос может установить один человек за пару часов, причем ни опыт, ни специальное оборудование для этого не нужны.

Среди достоинств солнечных насосов:

минимальное техническое обслуживание и ремонт;
легкость установки;
надежность;
возможность модульного наращивания системы.

Использование солнечной энергии фундаментальным образом отличается от традиционных электрических и топливных систем. По этой причине солнечные насосы также отличаются от обычных. Они работают на постоянном токе. Количество энергии зависит от интенсивности излучения Солнца. Поскольку дешевле хранить воду (в баках), чем энергию (в аккумуляторах), солнечные насосы отличаются низкой производительностью, медленно качая воду в течение всего светового дня.

Использование простых эффективных систем - ключевой фактор использования солнца для подъема воды. Для этой цели применяются специальные маломощные насосы постоянного тока без аккумуляторов и без преобразователей тока. Современные двигатели постоянного тока хорошо работают при переменной мощности и скорости. Они нуждаются в небольшом ремонте (замене изношенных частей) не ранее, чем через 5 лет после их установки. Большинство солнечных насосов, применяемых для малых потребителей (жилые дома, мелкая ирригация, содержание скота) - это поршневые насосы. Они отличаются от более быстрых центробежных насосов (в т.ч. струйных и погружных).

В системах большего объема применяются центробежные, струйные и турбонасосы. Электронные согласующие устройства позволяют солнечным насосам включаться и работать в условиях низкой освещенности. Это позволяет использовать энергию солнца напрямую, без аккумуляторных батарей. Может применяться устройство слежения за Солнцем, при помощи которого панели остаются нацеленными на Солнце на протяжении всего дня, от восхода до заката, что позволяет продлить пригодный для эксплуатации световой день. В аккумуляторных баках обычно хранится запас воды на 3-10 дней на случай облачной погоды. Солнечные насосы используют малое количество электричества. Чтобы увеличить объем получаемой воды, используется более эффективный насос и более продолжительный световой день, а не больше электроэнергии или увеличенная скорость.

Там, где фотоэлектрические насосы сравниваются с дизельными, их относительно высокая первоначальная стоимость компенсируется экономией топлива и снижением затрат на техо

utem.org.ua