Фотоэлементы

  1. Солнечная установка - привлекательный источник энергии
  2. Солнечная радиация
  3. Фотоэлектрические элементы
  4. Фотоэлементы - как это работает?
  5. Среди так называемых Первое поколение мы различаем:
  6. Солнечная установка в Польше
  7. суммирование

Быстрое развитие фотовольтаики, наблюдаемое в последние годы (кратко записанное как PV), вызвало не только заметное увеличение эффективности систем, основанных на таком преобразовании солнечной энергии, но также и серьезное падение их цен. Требование увеличения доли энергии из возобновляемых источников в энергетическом балансе страны не лишено смысла.

Следует отличать тепловое использование солнечной радиации, возникающей в солнечных коллекторах, от фотоэлектрической энергии, которая является способом выработки электроэнергии.

Основным элементом фотоэлектрической системы является фотоэлемент. Под воздействием солнечного света он становится источником постоянного напряжения. Ячейки сгруппированы вместе и соединены вместе, они образуют фотоэлектрические модули, а объединенные модули образуют фотоэлектрическую панель, составляющую основной элемент фотоэлектрической системы, также называемой фотоэлектрическим генератором.

Солнечная установка - привлекательный источник энергии

Малые и средние солнечные системы являются привлекательным источником возобновляемой энергии. Электроэнергия, вырабатываемая в таких системах, обычно напрямую используется локально, что позволяет избежать потерь, связанных с ее передачей. Например, все чаще используются архитектурные технологии, объединяющие фотоэлектрические панели со строительством, такие как крыши или стены, построенные из фотоэлектрических модулей.

Фотогальваника - это область науки и техники, которая занимается преобразованием солнечной энергии в электричество с использованием так называемых фотоэлектрический эффект. Этот эффект основан на излучении электронов с поверхности объекта, кинетическая энергия таких излучаемых фотоэлектронов зависит не от интенсивности падающего света, а от его частоты.

Объяснение и математическое описание фотоэлектрического эффекта мы обязаны Альберту Эйнштейну, который в 1905 году использовал квантовую гипотезу, разработанную Максом Планком в 1900 году. За объяснение этого эффекта Эйнштейн в 1921 году получил Нобелевскую премию.

Текущая интенсивная работа по производству электроэнергии из возобновляемых ресурсов, по которым Солнце проходит в нашем масштабе времени, предполагает, что эта технология будет все больше использоваться в ближайшем будущем.

Солнечная радиация

Солнце, основной объект нашей солнечной системы, а также одна из самых ярких звезд Млечного Пути, является хорошо функционирующим ядерным реактором, который в течение примерно 4,6 миллиардов лет непрерывно заряжает свои планеты и другие объекты. При некотором упрощении можно предположить, что реакция синтеза в нем, главным образом, водорода, в высшие элементы является просто источником энергии излучения.

Солнечная энергия не только формирует погоду Земли, но и необходима для большинства форм жизни на Земле благодаря процессу фотосинтеза, который питает существующие экосистемы. Доступная в настоящее время энергия ископаемого топлива - это не что иное, как энергия солнечного излучения, хранящаяся на Земле от предыдущих геологических эпох.

Поверхность Солнца достигает верхних слоев атмосферы Земли с интенсивностью излучения 1366 Вт / м2, что составляет так называемый солнечная постоянная. Это эквивалентно утверждению, что суммарная мощность потока энергии, достигающего атмосферы, составляет около 174 ПВт (петаватт) = 174 * 1015 Вт.

К счастью, около 30% этой мощности отражается от поверхности атмосферы в космос, а еще 20% поглощается атмосферой благодаря так называемой парниковые газы, в основном пар. Это означает, что приблизительно 89 PW достигает поверхности Земли, что означает в среднем 180 Вт / м2 после географического усреднения и с учетом суточного цикла.

Площадь, освещаемая солнечным светом, падающим перпендикулярно его поверхности в безоблачных условиях, может принимать максимум 1000 Вт / м2. Общая энергия, которая достигает горизонтальной поверхности в течение всего года, составляет от 600 кВтч / (м2 в год) в странах северного региона до более 2500 кВтч / (м2 в год) в странах экваториальной зоны. В Польше это составляет примерно 1100 кВтч / (м2 в год).

Стоит подчеркнуть, что энергия солнечной радиации, полученная Землей, также используемая любым способом человеком, растениями и животными, по сути преобразуется в тепло, а затем излучается в виде инфракрасного излучения в космос.

Фотоэлектрические элементы

Фотоэлемент является источником, который использует фотоэлектрический эффект для выработки электричества, то есть преобразования солнечной энергии, происходящего в полупроводниковых материалах.

Распространение фотоэлектрических элементов, несмотря на значительные затраты по сравнению с традиционными источниками, обусловлено главным образом экологическими соображениями, когда экологические ценности приводят к упущению экономических и практических причин, поскольку солнечная радиация доступна практически везде.

Широкий спектр сотовых приложений связан с автономными (автономными) системами, установленными в местах, где энергия из сети недоступна. Такие системы включают в себя, например, выработку энергии для нужд удаленных телекоммуникационных ретрансляционных станций или станций передачи электроэнергии, автономных систем мониторинга или систем сигнализации и все чаще для нужд обычного домашнего хозяйства (например, кухни и солнечные печи в экваториальной зоне).

Космическая технология также использует фотоэлектрические элементы. Все чаще клетки используются в так называемых бытовая электроника (калькуляторы, садовые фонари, уличные указатели). Известны также применения в профессиональной энергетической промышленности с высокой мощностью - несколько ферм по мощности МВт и солнечные электростанции мощностью 100 МВт (Германия, Испания) мощностью до 400 МВт (Мохаве, США).

Основными преимуществами ячеек являются: необслуживаемость и длительный срок эксплуатации - гарантия 25 лет.

Фотоэлементы - как это работает?

Фотоэлемент представляет собой кремниевую полупроводниковую пластину, внутри которой имеется потенциальный барьер (электрическое поле) в виде pn (положительного ÷ отрицательного) соединения. Солнечное излучение, падающее на фотогальванические элементы, ударяет электроны с их мест в полупроводниковой структуре, создавая пары носителей с противоположными зарядами (электрон с отрицательным зарядом и с «дыркой» положительного заряда, созданный после его разрушения).

Эти заряды затем разделяются электрическим полем, существующим на pn-переходе, что вызывает появление напряжения в элементе. Все, что вам нужно сделать, это подключить энергоемкое устройство к ячейке, и электрический ток протекает. Фотоэлектрические элементы чаще всего изготавливаются из кремния - второго по величине вида кислорода на Земле после кислорода, который возникает, среди прочего, в песке

Одна ячейка может генерировать ток 1 ÷ 7 Вт. Чтобы максимизировать полученные эффекты, ячейки подключаются к фотоэлектрическим модулям (группам ячеек). Ячейки чаще всего изготавливаются в виде панелей площадью 0,2 ÷ 1,0 м2. Фотоэлектрические панели производят постоянный ток, поэтому, чтобы использовать их электричество, нам необходимо установить инвертор (инвертор), который будет преобразовывать ток фотоэлектрических солнечных батарей в переменный ток, обычно называемый переменным.

Относительно низкая эффективность фотоэлектрических элементов зависит от энергии, в зависимости от используемого материала и технологии производства.

Ячейки 1-го поколения считаются ячейками на основе кристаллического кремния, второе поколение - это тонкопленочные, а третье поколение - это ячейки, рассчитанные на то, чтобы превзойти так называемые Барьер Shockley-Queisser, эффективность которого составляет 31% для одного разъема.

Среди так называемых Первое поколение мы различаем:

  • монокристаллические ячейки - из одного монолитного кристалла кремния; они характеризуются высокой эффективностью, обычно 18 ÷ 22%, и высокой ценой; они обычно используются с мощностью до 150-180 Вт на панель; иметь характерный темный цвет;
  • поликристаллические ячейки из кристаллизованного кремния; они характеризуются эффективностью в диапазоне 14 ÷ 18% и умеренной ценой; они обычно используются при мощности более 200 Вт; они обычно имеют характерный синий цвет и четко определенные кристаллы кремния.
  • аморфные ячейки - изготовленные из аморфного, аморфного некристаллизованного кремния - характеризуются низкой эффективностью в диапазоне 6 ÷ 10% и низкой ценой; они обычно имеют характерный слегка бордовый цвет и не имеют видимых кристаллов кремния.

В настоящее время мы также наблюдаем за разработкой элементов второго поколения, т.е. на основе более новых полупроводниковых материалов. Это ячейки, изготовленные с использованием теллурида кадмия CdTe и изготовленные из смеси полупроводников, таких как индий, гал, селен - так называемые. CIGS.

В обеих технологиях весь модуль обычно создается из одной ячейки. В случае первого из них КПД составляет 10 ÷ 12%, но они характеризуются хорошим соотношением цена-качество. В свою очередь, по второй технологии с эффективностью 12 ÷ 14% возможно изготовление методом промышленной печати, что является очень дешевым и эффективным методом производства ячеек.

Ячейки CdTe, CIGS и некоторые из ячеек аморфного кремния представляют собой так называемые тонкопленочные ячейки, в которых слой активного полупроводника имеет толщину несколько микрометров, то есть он почти тоньше, чем в случае поли- или монокристаллического кремния. Тонкопленочные элементы этого поколения, благодаря значительному снижению расхода полупроводниковых материалов, характеризуются выгодным соотношением цена / мощность.

Примером элемента третьего поколения является органический солнечный элемент (ОПВ), в котором органические материалы использовались для поглощения радиации и транспортных нагрузок. Поскольку эти ссылки могут быть сделаны как гибкие, существует возможность широкого использования в строительстве.

Солнечная установка в Польше

Первая в мире фотоэлектрическая станция мощностью 1 МВт - это Lugo (США), запущенная в декабре 1982 года. В 2015 году общая установленная фотоэлектрическая мощность в мире уже превысила 55 ГВт.

Самая большая электростанция в Польше была установлена ​​в гмине. Чениково (около Торуня) в декабре 2016 года. Он состоит из 16 тысяч. панели, каждая по 240 Вт, общей площадью более 24 тысяч. м2, с общей мощностью 3,77 МВт, вырабатывающих ежегодно около 3 500 МВтч электроэнергии.

В польских климатических условиях оптимальное расположение фотоэлектрической установки с точки зрения ее расположения и правильной конструкции способно производить чуть более 1000 кВт-ч на кВт электроэнергии, установленной ежегодно. Обычно этот индикатор для правильной установки колеблется около 950 ÷ 1025 кВт-ч / кВт в зависимости от технологии солнечных батарей, используемого инвертора и местоположения.

В случае установок, для которых использовались устройства со слабыми параметрами (особенно инверторные и солнечные панели), выход энергии может упасть даже ниже 750 кВтч / кВт. Кроме того, некоторые тонкопленочные модули, особенно CIGS и a-Si, дают немного более низкие выходы. В их случае оптимальные установки в Польше достигают примерно 910 ÷ 970 кВтч / кВт, что часто компенсируется гораздо более низкой инвестиционной ценой. На уровень получаемой энергии также влияет способ установки.

Оптимальной настройкой является наклон фотоэлектрических панелей под углом 30 ÷ 40 градусов к югу. Любое отклонение от южного направления и наклона за пределы указанного диапазона приведет к уменьшению энергии, производимой ежегодно. При использовании одних и тех же компонентов наибольший выход будет получен в автономных установках, которые естественным образом охлаждаются потоком свободного воздуха.

Установка солнечного генератора на крыше при сохранении вентиляционного пространства снижает эффективность по сравнению с автономной установкой на 2 ÷ 5%. В свою очередь, отсутствие вентиляции панелей на крыше является причиной падения КПД на 7 ÷ 10%. По этой причине в случае систем, встроенных в крышу, важно изготавливать вентиляционные каналы или использовать панели из ячеек с максимально низким температурным коэффициентом мощности.

Польское фотоэлектрическое общество (PTPV) заявляет, что на конец 2016 года в нашей стране было установлено более 17,5 тысяч. фотоэлектрические системы общей мощностью 192,82 МВт . Все большую долю в установленном в Польше потенциале фотоэлектрических электростанций имеют микроустановки.

473 фотоэлектрических установок общей мощностью 99,1 МВт, лицензированных Управлением по регулированию энергетики, а также более 17 тысяч, должны были быть представлены для фотоэлектрического потенциала в Польше в конце прошлого года. Фотоэлектрические системы 94,72 МВт подключены к сети для отчетности. Согласно PTPV со ссылкой на данные URE, существует 286 систем с мощностью ниже 100 кВт среди систем с лицензией Управления по регулированию энергетики. Их средняя мощность составляет 26,5 кВт. Тем не менее, свыше 100 кВт в Польше насчитывается 187 фотоэлектрических систем. Их средняя мощность составляет 490 кВт. Системы мощностью свыше 1 МВт - 25 с общей мощностью 30,4 МВт.

Например, вы все еще можете указать приблизительную цену для домашней установки (с инвертором) мощностью около 4 кВт. Это около 20000. Или около 5000 злотых zł / кВт. Он может обеспечить около 3600 кВтч в год.

Стоит также упомянуть о существующих программах помощи, заявив о 25% стоимости установки, а также о программе Prosument, включенной в Закон об энергетике.

суммирование

Обсуждается важность фотовольтаики как лучшей развивающейся технологии для возобновляемых источников энергии. На этом фоне были охарактеризованы энергетические качества Солнца. Области применения этой технологии указаны с указанием преимуществ, возникающих в результате ее использования, когда питание от сети отсутствует. Построение фотоэлектрических элементов нескольких последующих поколений обсуждается вместе с их характеристиками. Наконец, представлен уровень развития фотоэлектрической отрасли в Польше.

Доктор Инь. Петр Кубский

Фото: Виссманн, Будерус

Фотоэлементы - как это работает?