Солнечная фотоэлектрическая энергия

Солнечная фотоэлектрическая энергия

Солнечная фотоэлектрическая (PV) энергия - это метод генерирования электроэнергии путем преобразования излучения солнечной энергии в электроэнергию постоянного тока с использованием полупроводников, которые проявляют фотоэлектрический эффект. Солнечная фотоэлектрическая энергия является возобновляемым и устойчивым источником энергии. Солнечная фотоэлектрическая энергия в настоящее время является третьим по важности возобновляемым источником энергии после гидро- и ветровой энергии с точки зрения установленной мощности в мире. Солнечные элементы, также называемые учеными фотогальваническими элементами, преобразуют солнечную энергию непосредственно в электричество. PV получил свое название от процесса преобразования света (фотонов) в электричество (напряжение), который называется «фотогальваническим (PV) эффектом». Эффект PV относится к фотонам света, возбуждающим электроны в более высокое состояние энергии, что позволяет им действовать как носители заряда для электрического тока. Фотоэлектрический эффект впервые наблюдал Александр-Эдмон Беккерель в 1839 году. Термин «фотогальванический» обозначает несмещенный режим работы фотодиода, в котором ток через устройство полностью обусловлен преобразованной световой энергией. Практически все фотоэлектрические устройства представляют собой фотодиоды того или иного типа. Фотоэлектрический эффект кремния (элемента, содержащегося в песке) был обнаружен в 1954 году, когда ученые из Bell Telephone обнаружили, что кремний создает электрический заряд под воздействием солнечного света.

Солнечная энергия является самым распространенным энергетическим ресурсом на Земле. Прямое преобразование солнечной энергии в электроэнергию в фотоэлектрических элементах является одной из трех солнечных активных технологий. Двумя другими технологиями являются «концентрация солнечной энергии (CSP)» и «солнечные тепловые коллекторы для отопления и охлаждения (HSC)». Сегодня фотоэлектрическая энергия обеспечивает более 0,1 % от общего объема производства электроэнергии в мире. У него также многообещающее будущее. Глобальные фотоэлектрические мощности увеличиваются со среднегодовым темпом роста более 40% с 2000 года, и у них есть значительный потенциал для долгосрочного роста в ближайшие годы. Солнечная фотоэлектрическая энергия является коммерчески доступной надежной технологией производства электроэнергии. Солнечная фотоэлектрическая энергия не только способствует значительному сокращению выбросов парниковых газов, но и обеспечивает преимущества с точки зрения безопасности энергоснабжения и социально-экономического развития. В связи с растущим спросом на возобновляемые источники энергии в последние годы производство солнечных элементов и фотоэлектрических элементов значительно продвинулось вперед.

Солнечные батареи производят электричество постоянного тока из солнечного света, которое можно использовать для питания оборудования или для подзарядки аккумулятора. Первым практическим применением фотоэлектрических элементов было питание орбитальных спутников и других космических аппаратов, но сегодня большинство фотоэлектрических модулей используются для выработки электроэнергии, подключенной к сети. В этом случае инвертор используется для преобразования постоянного тока (DC) в переменный ток (AC).

Солнечные панели, используемые для выработки электроэнергии, обычно состоят из солнечных элементов, объединенных в модули, содержащие около 40 элементов. Множество солнечных панелей, объединенных вместе, образуют систему, которая называется солнечной батареей. Медные солнечные кабели соединяют модули (кабель модуля), массивы (кабель массива) и подполя. Типичное здание будет использовать от 10 до 20 солнечных панелей для удовлетворения своих потребностей в электроэнергии. Для крупных электроэнергетических или промышленных предприятий сотни солнечных батарей соединяются между собой, образуя фотоэлектрическую систему крупного масштаба.

Для достижения наилучшей производительности солнечные фотоэлектрические панели стремятся максимально увеличить время, в течение которого они обращены к солнцу, для более высокой выработки электроэнергии. Солнечные трекеры достигают этого, перемещая фотоэлектрические панели вслед за солнцем. Это позволяет им захватывать большую часть солнечного света. Увеличение может составлять до 20 % зимой и до 50 % летом. Статические монтируемые системы можно оптимизировать, анализируя путь солнца. Панели часто настраиваются на наклон по широте, угол равен широте, но производительность можно улучшить, отрегулировав угол для летнего и зимнего сезонов. Обычно, как и в случае с другими полупроводниковыми устройствами, температура выше комнатной снижает производительность фотогальванических элементов.

Солнечный элемент состоит из слоев полупроводникового материала. Когда свет падает на клетку, он создает электрическое поле через слои, заставляя электричество течь. Чем больше интенсивность света, тем больше поток электричества. Однако фотоэлектрическая система также может генерировать электроэнергию в пасмурные дни. Для работы ему не нужен яркий солнечный свет. Производительность солнечной батареи измеряется с точки зрения эффективности преобразования солнечного света в электричество. Солнечный фотоэлектрический модуль с эффективностью 12,5 % означает, что он преобразует одну восьмую солнечного света, попадающего на модуль, в электричество.

Мощность фотоэлектрической системы измеряется как максимальная выходная мощность при стандартных условиях испытаний (STC) в Wp (пиковая мощность в ваттах). Фактическая выходная мощность в конкретный момент времени может быть меньше или больше этого стандартного или «номинального» значения в зависимости от географического положения, времени суток, погодных условий и других факторов. Коэффициент загрузки завода солнечных фотоэлектрических батарей (PLF) обычно составляет менее 25 %, что ниже, чем у многих других промышленных источников электроэнергии.

Солнечные фотоэлементы

Традиционные солнечные элементы изготавливаются из кремния. Обычно они представляют собой плоские пластины и, как правило, являются наиболее эффективными. Ячейки требуют защиты от окружающей среды и обычно плотно упакованы за стеклянным листом. В фотоэлектрической технологии используются следующие типы солнечных элементов.

• Солнечный элемент из кристаллического кремния. Это наиболее эффективные солнечные элементы, изготовленные из «кремния для солнечных батарей». Эта технология была разработана первой, и сегодня она представляет собой большинство применений в солнечных панелях. Ячейки изготавливаются из тонких пластин (пластин), вырезанных либо из монокристалла кремния (монокристаллический кремний c-Si), либо из блока кристаллов кремния (поли- или поликристаллический кремний поли-Si или mc-Si). Монокристаллические вафельные элементы, как правило, дороги, поскольку они вырезаются из цилиндрических слитков. Они не могут полностью покрыть квадратный модуль солнечного элемента без значительной потери рафинированного кремния. Обычно в четырех углах ячеек, изготовленных из монокристалла, имеются незакрытые зазоры. Поликристаллические или мультикристаллические кремниевые элементы изготавливаются из литых квадратных слитков, которые представляют собой большие блоки расплавленного кремния, тщательно охлажденные и затвердевшие. Ячейки Poly-Si дешевле в производстве, чем ячейки из монокристаллического кремния, но менее эффективны.
• Тонкопленочный солнечный элемент. Солнечные элементы второго поколения изготавливаются путем нанесения очень тонких слоев фоточувствительных материалов на недорогую подложку, такую ​​как стекло, нержавеющая сталь или пластик. Используемые светочувствительные материалы представляют собой аморфный кремний и некремниевые материалы, такие как теллурид кадмия (Cd-Te), селенид/сульфид меди, индия, галлия (CIGS). В тонкопленочных солнечных элементах используются слои полупроводниковых материалов толщиной всего несколько микрометров. Более низкие производственные затраты уравновешивают более низкую эффективность этой технологии. Они стали популярными по сравнению с кремниевыми пластинами из-за более низкой стоимости и преимуществ, включая гибкость, меньший вес и простоту интеграции. Типичный процесс производства тонкой пленки включает (i) покрытие подложки прозрачным проводящим слоем, (ii) нанесение активного слоя различными методами, такими как химическое/физическое осаждение из паровой фазы, (iii) металлизацию обратной стороны (контактов) с использованием лазера. скрайбирование или традиционная трафаретная печать и (iv) инкапсуляция в стеклополимерную оболочку. Методы рулона в рулон часто используются с гибкими носителями, чтобы сократить время и затраты на производство.

• Другие типы фотоэлектрических элементов. В настоящее время разрабатываются или начинают коммерциализироваться несколько других типов фотоэлектрических технологий. Это солнечные элементы третьего поколения, которые изготавливаются из различных новых материалов, включая солнечные чернила с использованием традиционных технологий печатного станка, солнечных красителей и проводящих пластиков. В некоторых новых солнечных элементах используются пластиковые линзы или зеркала для концентрации солнечного света на очень маленьком кусочке высокоэффективного фотоэлектрического материала. Фотоэлектрический материал более дорогой, но, поскольку его требуется так мало, эти системы становятся экономически эффективными для использования коммунальными предприятиями и промышленностью. Однако, поскольку линзы должны быть направлены на солнце, использование концентрирующих коллекторов ограничено наиболее солнечными частями.

Эффективность преобразования различных технологий приведена в Таблице 1. Срок службы солнечной фотоэлектрической ячейки составляет 25 лет. Однако его эффективность и, следовательно, выработка электроэнергии со временем ухудшаются. Ухудшение составляет 10 % в первые десять лет и еще 10 % в следующие 15 лет.

Применение солнечной фотоэлектрической энергии

Солнечные фотоэлектрические системы могут быть установлены на крышах или на земле. Это могут быть электростанции, подключенные к сети, или автономные системы. Подключение к сети позволяет передавать избыточную произведенную электроэнергию в сеть и импортировать электроэнергию, когда электроэнергия не вырабатывается из-за отсутствия солнца. Автономные системы обеспечивают электроэнергией отдаленные районы. Автономные системы также могут использоваться для электрификации сельской местности. Солнечные фотоэлектрические системы также можно использовать для производства потребительских товаров. Схема солнечной фотоэлектрической установки показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема солнечной фотоэлектрической установки

Преимущества солнечной фотоэлектрической энергии

• Солнечный свет, достигающий поверхности земли, обилен и может стать основным источником энергии в мире.
• Солнечная энергия не загрязняет окружающую среду во время использования.
• Фотоэлектрические установки имеют долгий срок службы при минимальном обслуживании.
• Эксплуатационные расходы фотоэлектрических установок чрезвычайно низки.
• Подключенное к сети солнечное электричество можно использовать локально, что снижает потери при передаче/распределении.

Недостатки солнечной фотоэлектрической энергии

• Первоначальные инвестиции высоки.
• Требуется большое пространство
• Выработка электроэнергии невозможна, когда нет солнечного света.
• Максимальный размер электростанции, подключенной к сети, ограничен 10 МВт.






Сила ветра Основные характеристики современного сортового и мелкосортного прокатного стана