Солнечная фотовольтаика: чистая, надежная энергия для устойчивого будущего

Солнечная фотовольтаическая энергетика

Солнечная фотовольтаическая (ФВ) энергетика — метод генерации электроэнергии путем преобразования солнечного излучения в постоянный ток с помощью полупроводников, обладающих фотовольтаическим эффектом. ФВ-энергетика — возобновляемый и устойчивый источник. По установленной мощности она занимает третье место среди возобновляемых источников после гидро- и ветроэнергетики. Солнечные элементы (фотовольтаические ячейки) преобразуют солнечную энергию напрямую в электричество. Название «фотовольтаика» происходит от процесса преобразования света (фотонов) в электричество (напряжение) — «фотовольтаический эффект». Эффект заключается в возбуждении фотонами электронов в более высокое энергетическое состояние, что позволяет им выступать носителями заряда. Эффект открыт Александром-Эдмондом Бекверелем в 1839 году. Термин «фотовольтаика» обозначает беспристрастный режим работы фотодиода, когда ток полностью обусловлен переduced световой энергией. Практически все ФУ-устройства — разновидности фотодиодов. ФВ-эффект кремния (элемента, содержащегося в песке) открыт в 1954 году ученцами Bell Telephone: кремний создавал электрический заряд под воздействием солнечного света.

Перспективы солнечной энергетики

Солнечная энергия — самый обильный энергетический ресурс на Земле. Прямое преобразование в электричество в ФВ-ячейках — одна из трех активных солнечных технологий. Остальные две: концентрирующая солнечная энергетика (CSP) и солнечные тепловые коллекторы для отопления и охлаждения (HSC). Сегодня ФВ дает более 0,1% мирового выработки электроэнергии. Глобальная установленная мощность ФВ растет средне на 40% в год с 2000 года и имеет значительный потенциал долгосрочного роста. ФВ-энергетика — коммерчески доступная надежная технология. Она не только снижает выбросы парниковых газов, но и обеспечивает энергетическую безопасность и социально-экономическое развитие. Растущий спрос на ВИЭ стимулировал значительный прогресс в производстве солнечных элементов и модулей.

Принцип работы и применение

Солнечные ячейки вырабатывают постоянный ток из солнечного света — для питания оборудования или зарядки аккумуляторов. Первое практическое применение — питание спутников и космических аппаратов. Сегодня большинство модулей используется для сетевой генерации. В этом случае инвертор преобразует постоянный ток (DC) в переменный (AC).

Солнечные панели для генерации состоят из ячеек, объединенных в модули (обычно по 40 ячеек). Много панелей создают солнечный массив. Медные кабели соединяют модули, массивы и подполя. Типичное здание использует 10–20 панелей для покрытия потребностей. Для крупных энергетических или промышленных применений сотни массивов объединяют в крупные ФВ-системы.

Оптимизация производительности

Для максимальной генерации панели должны максимально долго обращаться к солнцу. Солнечные слежения (трекеры) двигают панели за солнцем, увеличивая улов на 20% зимой и 50% летом. Статичные системы оптимизируют анализом солнечного пути. Панели часто устанавливают под углом, равным широте, но эффективность улучшается сезонной корректировкой угла. Как и другие полупроводниковые приборы, температуры выше комнатной снижают производительность ФВ-ячеек.

Физика солнечной ячейки

Солнечная ячейка состоит из слоев полупроводникового материала. При освещении возникает электрическое поле между слоями, вызывающее ток. Чем выше интенсивность света, тем больше ток. Однако ФВ-система генерирует электроэнергию и в пасмурные дни — яркое солнце не обязательно. Производительность измеряется КПД преобразования солнечного света в электричество. Модуль с КПД 12,5% преобразует в электричество одну восьмую падающего света.

Мощность ФВ измеряется в ватт-пик (Wp) — максимальная мощность при стандартных тестовых условиях (STC). Реальная мощность в конкретный момент может быть ниже или выше в зависимости от географии, времени суток, погоды и других факторов. Коэффициент использования установленной мощности (PLF) ФВ-массивов обычно ниже 25% — ниже многих промышленных источников.

Типы солнечных ФВ-ячеек

Традиционные ячейки изготовлены из кремния. Они плоские, наиболее эффективные и требуют защиты от среды — герметично упаковываются за стеклом. Технологии используют следующие типы:

Кремнистые кристаллические солнечные ячейки

Самые эффективные, изготавливаются из «солнечного кремния». Разработаны первыми, сегодня доминируют в панелях. Ячейки делают из тонких пластин (вафлер), вырезанных либо из монокристалла кремния (моно-Si), либо из блока кристаллов (поли-/мульти-Si). Моно-Si вафлеры дороже — вырезаются из цилиндрических слитков, не полностью покрывают квадратный модуль без потерь (зазоры в углах). Поли-Si изготавливают из литых квадратных слитков — дешевле, но менее эффективны.

Тонкопленочные солнечные ячейки

Второе поколение. Осаждают сверхтонкие слои светочувствительных материалов на дешевую подложку: стекло, нержавейку, пластик. Материалы: аморфный кремний и некремнистые — кадмиевый теллурид (CdTe), медийно-индиевый галлиевый селенид/сульфид (CIGS). Слои толщиной в несколько микрометров. Низкие издержки компенсируют низкий КПД. Популярны за низкую стоимость, гибкость, легкий вес, легкость интеграции. Типичный процесс: (1) покрытие подложки прозрачным проводящим слоем, (2) осаждение активного слоя (химическое/физическое паровое осаждение), (3) металлизация обратной стороны контактами (лазерная гравировка или шелкография), (4) инкапсуляция в стеклополимерный корпус. Рулонные технологии с гибкими подложками сокращают время и затраты.

Другие типы ячеек

Разрабатываются третьепоколенные ячейки из новых материалов: солнечные чернила (печатные технологии), солнечные красители, проводящие полимеры. Некоторые используют пластиковые линзы/зеркала для концентрации света на малый фрагмент высокоэффективного ФВ-материала. Материал дороже, но его мало нужно — системы становятся стоимоэффективными для энергетики и промышленности. Однако линзы должны указывать на солнце, поэтому концентраторы ограничены самыми солнечными регионами.

КПД разных технологий приведен в табл. 1. Срок службы ФВ-ячейки — 25 лет, но КПД и выработка ухудшаются: на 10% в первые 10 лет и еще 10% в следующие 15.

Табл. 1 КПД разных технологий
Тип технологии	КПД		Лабораторный КПД	Площадь/кВт
	Ячейка	Модуль	%	м²/кВт
Моно-Si	16–22	13–19	24,7	7
Поли-Si	14–18	11–15	20,3	8
Аморфный Si	4–8		10,4	15
CdTe	10–11		16,5	10
CIGS	9–12		20,3	10
Другие материалы	3–5		6–12	10

Применение ФВ-систем

ФВ-системы устанавливают на крышах или наземно. Могут быть сетевыми или автономными (off-grid). Сетевое подключение позволяет отдавать излишки в сеть и забирать энергию при отсутствии солнца. Автономные системы снабжают электроэнергией удаленные районы и используются для сельского электрифицирования. ФВ применяется и в бытовых приборах. Схема ФВ-станции на рис. 1.

Рис. 1 Схема солнечной ФВ-станции

Преимущества ФВ-энергетики

• Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, обилен и может стать основным мировым источником энергии.
• Солнечная энергия чиста в процессе использования.
• ФВ-установки долговечны и требуют минимального обслуживания.
• Эксплуатационные расходы крайне низки.
• Сетевая солнечная электроэнергия используется локально, снижая потери передачи/распределения.

Недостатки ФВ-энергетики

• Высокие начальные инвестиции.
• Требуется большая площадь.
• Нет генерации при отсутствии солнечного света.
• Максимальный размер сетевой станции ограничен 10 МВт.