Fotoelektrični pretvarači energije. Kako se odvija proces pretvaranja sunčeve energije u električnu energiju? Maksimalne vrijednosti efikasnosti fotoćelija i modula postignute u laboratorijskim uslovima

Zagatin Sergey

Tema mog rada, “Fotonaponske konverzije solarne energije”, trenutno je najrelevantnija.

U sažetku, opisao sam metode za pretvaranje sunčeve energije koje bi mogle zadovoljiti brzo rastuće energetske potrebe za mnogo hiljada godina. Električna energija je najpogodnija vrsta energije za korištenje i prijenos, budući da je sunčevo zračenje praktički neiscrpan izvor energije.

Po mom mišljenju, veliki razvoj fotonaponske energije će dati ogroman podsticaj razvoju područja na Zemlji sa visokim prosječnim godišnjim sunčevim zračenjem.

Skinuti:

Pregled:

Završio: Zagatin S.V.

učenik 10A odeljenja

Rukovodilac: Luchina T.V.

Nastavnik fizike

2008

	UVOD……………………………………………………………………
	KONVERZIJA SUNČEVE ENERGIJE JE OBEĆAVAN PUT ZA RAZVOJ ENERGETIKE…...
	FOTONAPONSKA KONVERZIJA SUNČEVE ENERGIJE……………………………………………………………………………………………..
	ZAKLJUČAK…………………………………………………………………
	LITERATURA…………………………………………………………………

UVOD

Brzi rast potrošnje energije jedna je od najkarakterističnijih karakteristika ljudske tehničke djelatnosti u drugoj polovini 20. stoljeća. Razvoj energetike do nedavno nije nailazio na suštinske poteškoće. Do povećanja proizvodnje energije došlo je uglavnom zbog povećanja proizvodnje nafte i plina, koji su najpogodniji za potrošnju. Međutim, ispostavilo se da je energetika prvi veliki sektor svjetske ekonomije koji se suočio sa situacijom iscrpljivanja svoje tradicionalne sirovinske baze. Početkom 70-ih godina u mnogim zemljama izbila je energetska kriza. Jedan od razloga za ovu krizu bila je ograničena dostupnost minerala. energetskih resursa. Osim toga, nafta, gas i ugalj su takođe najvrednije sirovine za hemijsku industriju koja se brzo razvija. Stoga je sada sve teže održavati visok tempo energetskog razvoja korištenjem samo tradicionalnih fosilnih izvora energije.

Nuklearna energija se također u posljednje vrijeme suočava sa značajnim poteškoćama, prvenstveno vezanim za potrebu naglog povećanja troškova kako bi se osigurala sigurnost nuklearnih elektrana.

Zagađenje okruženje produkti sagorijevanja fosilnih izvora, prvenstveno uglja i nuklearnog goriva, uzrok su pogoršanja ekološke situacije na Zemlji. Značajno je i “termalno zagađenje” planete koje nastaje pri sagorijevanju bilo koje vrste goriva. Dozvoljena gornja granica proizvodnje energije na Zemlji, prema nekim naučnicima, samo je dva reda veličine veća od trenutnog globalnog prosjeka. Ovo povećanje potrošnje energije moglo bi dovesti do povećanja temperature na površini Zemlje za oko jedan stepen. Poremećaj energetskog balansa planete u takvim razmjerima može dovesti do nepovratnih, opasnih klimatskih promjena. Ove okolnosti određuju rastuću ulogu obnovljivih izvora energije, čija široka upotreba neće dovesti do narušavanja ekološke ravnoteže Zemlje.

1. KONVERZIJA SUNČEVE ENERGIJE - PUT koji obećava

Većina obnovljivih vrsta energije - hidroenergija, mehanička i toplotna energija iz svjetskih okeana, energija vjetra i geotermalna energija - karakteriziraju ili ograničeni potencijal ili značajne poteškoće u širokoj upotrebi. Ukupni potencijal većine obnovljivih izvora energije će povećati potrošnju energije sa sadašnjih nivoa samo za red veličine. Ali postoji još jedan izvor energije - Sunce. Sunce, zvezda spektralna klasa 2, žuti patuljak, vrlo je prosječna zvijezda po svim svojim glavnim parametrima: masi, poluprečniku, temperaturi i apsolutnoj veličini. Ali ova zvijezda ima jednu jedinstvenu osobinu - to je "naša zvijezda", i čovječanstvo duguje cijelo svoje postojanje tome prosečna zvezda. Naša zvijezda opskrbljuje Zemlju snagom od oko 10 17 W - tolika je snaga "sunčane tačke" prečnika 12,7 hiljada km, koja neprestano osvetljava stranu naše planete okrenutu prema Suncu. Intenzitet sunčeva svetlost na nivou mora u južnim geografskim širinama, kada je Sunce u zenitu, iznosi 1 kW/m 2 . Razvijanjem visoko efikasnih metoda za pretvaranje solarne energije, Sunce može opskrbljivati ​​brzo rastuće potrebe za energijom za mnogo stotina godina.

Argumenti protivnika velike upotrebe solarne energije svode se uglavnom na sljedeće argumente:

1. Specifična snaga sunčevog zračenja je mala, a velika konverzija sunčeve energije će zahtijevati vrlo velike površine.
2. Pretvaranje solarne energije je vrlo skupo i zahtijeva gotovo nerealne troškove materijala i rada.

Zaista, kolika će biti površina Zemlje pokrivena konverterskim sistemima da bi se proizveo značajan udio električne energije u globalnom energetskom budžetu? Očigledno, ova oblast zavisi od efikasnosti korišćenih sistema pretvarača. Za procjenu efikasnosti fotonaponskih pretvarača koji direktno pretvaraju sunčevu energiju u električnu pomoću poluvodičkih fotoćelija, uvodimo koncept koeficijenta performansi (efikasnosti) fotoćelije, definiranog kao omjer snage električne energije koju generiše dati element i snaga sunčeve zrake koja pada na površinu fotoćelije. Dakle, sa efikasnošću solarnih pretvarača od 10% (tipične vrednosti efikasnosti za silicijumske solarne ćelije, koje se široko koriste u masovnoj industrijskoj proizvodnji za potrebe zemaljske energije), za proizvodnju 10 12 W električne energije bi trebalo da pokrije površinu od 4 10 fotokonvertorima 10 m2 , jednako kvadratu sa stranicom od 200 km. U ovom slučaju, intenzitet sunčevog zračenja je uzet jednak 250 W/m 2 , što odgovara tipičnom godišnjem prosjeku za južne geografske širine. Odnosno, “niska gustina” sunčevog zračenja nije prepreka razvoju solarne energije velikih razmjera. Mogući načini stvaranja isplativih pretvarača solarne energije bit će razmotreni u sljedećim odjeljcima ovog članka.

Gore navedena razmatranja su prilično uvjerljiv argument: problem pretvaranja sunčeve energije mora biti riješen danas da bi se energija koristila sutra. Ovaj problem se barem u šali može posmatrati u okviru rješavanja energetskih problema kontrolirane termonuklearne fuzije, kada je efikasan reaktor (Sunce) stvoren od strane same prirode i obezbjeđuje resurs za pouzdan i siguran rad dugi niz miliona godina, a naš zadatak je samo da se razvije konvertorska podstanica na zemlji. U posljednje vrijeme u svijetu su sprovedena opsežna istraživanja u oblasti solarne energije koja su pokazala da u bliskoj budućnosti ovaj način proizvodnje energije može postati ekonomski opravdan i naći široku primjenu.

Rusija je bogata prirodni resursi. Imamo značajne rezerve fosilnih goriva – uglja, nafte, gasa. Međutim, korištenje solarne energije ima koristi i za našu zemlju. veliki značaj. Unatoč činjenici da se značajan dio ruske teritorije nalazi na visokim geografskim širinama, neke vrlo velike južne regije naše zemlje imaju vrlo povoljnu klimu za široku upotrebu sunčeve energije.

Korištenje solarne energije ima još veće izglede u zemljama Zemljinog ekvatorijalnog pojasa i područjima koja se nalaze u blizini ovog pojasa, koje karakterizira visok nivo sunčeve energije. Tako, u nizu regiona centralne Azije, trajanje direktnog sunčevog zračenja dostiže 3000 sati godišnje, a godišnji dolazak sunčeve energije na horizontalnu površinu je 1500 - 1850 kWh/m 2 .

Glavni pravci rada u oblasti konverzije solarne energije trenutno su:

• direktno termalno grijanje (proizvodnja toplinske energije) i termodinamička konverzija (proizvodnja električne energije sa međupretvorbom sunčeve energije u toplinsku energiju);
• fotonaponska konverzija sunčeve energije.

Direktno termalno grijanje je najviše jednostavna metoda pretvaranje solarne energije i široko se koristi u južnim regionima Rusije iu zemljama ekvatorijalnog pojasa u instalacijama solarnog grijanja, opskrbi toplom vodom, hlađenju zgrada, desalinizaciji vode itd. Osnova instalacija koje koriste solarnu toplinu su ravni solarni kolektori - apsorberi sunčevog zračenja. Voda ili druga tekućina koja je u kontaktu sa apsorberom se zagrijava i uklanja iz njega pomoću pumpe ili prirodne cirkulacije. Zagrijana tečnost zatim ulazi u skladište, odakle se po potrebi troši. Ovaj uređaj podseća na sisteme za snabdevanje toplom vodom za domaćinstvo.

Električna energija je najpogodnija vrsta energije za korištenje i prijenos. Stoga je razumljiv interes istraživača za razvoj i stvaranje solarnih elektrana koje koriste međupretvorbu sunčeve energije u toplinu sa njenom naknadnom konverzijom u električnu.

U svijetu su danas najčešće zastupljene dvije vrste solarnih termoelektrana: 1) toranjskog tipa (Sl. 1) sa koncentracijom sunčeve energije na jednom solarnom prijemniku, koja se izvodi pomoću velikog broja ravnih ogledala; 2) dispergovani sistemi paraboloida i paraboličkih cilindara, u čijem fokusu se nalaze termalni prijemnici i pretvarači male snage.

1. FOTONAPONSKA KONVERZIJA SUNČEVE ENERGIJE

Važan doprinos razumijevanju mehanizma djelovanja fotoelektričnog efekta u poluvodičima dao je osnivač Fizičko-tehničkog instituta (PTI) Ruska akademija nauka akademik A.F. Ioffe. O upotrebi poluprovodničkih fotoćelija u solarnoj energiji sanjao je već tridesetih godina, kada je B.T. Kolomiets i Yu.P. Maslakovets je u Fizičko-tehničkom institutu napravio sumpor-talijumske solarne ćelije sa rekordnom efikasnošću od 1% za to vreme.

Široko praktična upotreba Upotreba solarnih panela u energetske svrhe počela je lansiranjem 1958. umjetnih Zemljinih satelita - sovjetskog Sputnjika-3 i američkog Avangarda-1. Od tada, više od 35 godina, poluvodičke solarne baterije su glavni i gotovo jedini izvor energije za svemirske letjelice i velike orbitalne stanice poput Saljuta i Mira. Opsežna osnova koju su akumulirali naučnici u oblasti solarnih baterija za svemirske aplikacije takođe je omogućila razvoj rada na zemaljskoj fotonaponskoj energiji.

Osnova fotoćelija je poluvodička struktura sa r-n tranzicija(Sl. 2), koji nastaju na interfejsu dva poluprovodnika sa različitim mehanizmima provodljivosti. Imajte na umu da ova terminologija potiče iz engleske riječi pozitivno (pozitivno) i negativno (negativno). Promjenom vrste nečistoća unesenih u poluvodič dobijaju se različite vrste provodljivosti. Na primjer, atomi grupe III periodnog sistema D.I. Mendeljejev, uveden u kristalna rešetka silicijum, daju mu rupu (pozitivnu) provodljivost, a nečistoće grupe V - elektronsku (negativnu). Kontakt p- ili n- poluvodiča dovodi do stvaranja kontakta između njih električno polje, koji igra izuzetno važnu ulogu u radu solarne fotoćelije. Objasnimo razlog za pojavu kontaktne potencijalne razlike. Kada su poluvodiči p- i n-tipa kombinovani u jednom monokristalu, difuzioni tok elektrona nastaje od n-tipa poluvodiča u poluvodič p-tipa i, obrnuto, tok rupa od p- do n-poluprovodnika. Kao rezultat ovog procesa, dio poluvodiča p-tipa koji je susjedan p-n spoju će biti negativno nabijen, a dio poluvodiča n-tipa koji se nalazi uz p-n spoj, naprotiv, će dobiti pozitivan naboj. Tako se u blizini p-n spoja formira dvostruko nabijeni sloj, koji se suprotstavlja procesu difuzije elektrona i rupa. Zaista, difuzija teži stvaranju protoka elektrona iz n-područja u p-područje, a polje nabijenog sloja, naprotiv, vraća elektrone u n-područje. Isti put p-n polje tranzicija suprotstavlja difuziju rupa iz p- u n-područje. Kao rezultat dva procesa koji djeluju u suprotne strane(difuzija i kretanje nosilaca struje u električnom polju), uspostavlja se stacionarno, ravnotežno stanje: na granici se pojavljuje naelektrisani sloj koji sprečava prodor elektrona iz n-poluprovodnika i rupa iz p-poluprovodnika. Drugim riječima, u području p-n spoja nastaje energetska (potencijalna) barijera, za savladavanje koje elektroni iz n-poluvodiča i rupe iz p-poluprovodnika moraju potrošiti određenu energiju. Bez zaustavljanja na opisu električne karakteristike p-n spoj, koji se široko koristi u ispravljačima, tranzistorima i drugim poluvodičkim uređajima, razmotrite rad p-n prelaz u fotoćelijama.

Kada se svjetlost apsorbira u poluvodiču, pobuđuju se parovi elektron-rupa. U homogenom poluprovodniku fotoekscitacija povećava samo energiju elektrona i rupa, ne razdvajajući ih u prostoru, odnosno, elektroni i rupe su razdvojeni u „energetskom prostoru“, ali ostaju u blizini u geometrijskom prostoru. Za razdvajanje nosilaca struje i pojavu fotoelektromotorne sile (fotoEMF) mora postojati dodatna sila. Najefikasnije razdvajanje neravnotežnih nosača dešava se upravo u oblasti pn spoja (slika 2). “Manjinski” nosioci nastali blizu p-n spoja (rupe u n-poluprovodniku i elektroni u p-poluprovodniku) difundiraju do p-n spoja i pokupe se p-n polje prelaze i puštaju se u poluvodič, u kojem postaju većinski nosioci: elektroni će biti lokalizovani u poluprovodniku n-tipa, a rupe u poluprovodniku p-tipa. Kao rezultat toga, poluvodič p-tipa prima višak pozitivnog naboja, a poluvodič n-tipa prima višak negativnog naboja. Između n- i p-područja fotoćelije nastaje razlika potencijala - fotoEMF. Polaritet fotoEMF-a odgovara "direktnom" p-n offset tranzicija, koja snižava visinu barijere i potiče ubrizgavanje rupa iz p-područja u n-područje i elektrona iz n-područja u p-područje. Kao rezultat djelovanja ova dva suprotna mehanizma - akumulacije nosilaca struje pod utjecajem svjetlosti i njihovog oticanja uslijed smanjenja visine potencijalne barijere - uspostavljaju se različite vrijednosti fotonapona pri različitim intenzitetima svjetlosti. U ovom slučaju, vrijednost fotonapona u širokom rasponu osvjetljenja raste proporcionalno logaritmu intenziteta svjetlosti. Pri vrlo visokom intenzitetu svjetlosti, kada se potencijalna barijera pokaže praktički nula, vrijednost fotoEMF-a dostiže “zasićenje” i postaje jednaka visini barijere na neosvijetljenom p-n spoju. Kada je osvetljen direktnim, kao i sunčevim zračenjem koncentrisanim do 100 - 1000 puta, vrednost fotoEMF je 50 - 85% kontaktne razlike p-n potencijal tranzicija.

Ispitivali smo proces nastanka fotoEMF-a koji nastaje na p- i n-regije p-n tranzicija. Kada je osvijetljeni pn spoj kratko spojen, struja će teći u električnom kolu koja je proporcionalna intenzitetu osvjetljenja i broju parova elektron-rupa koje generira svjetlost. Kada je uključeno električno kolo nosivosti, kao što je kalkulator na solarni pogon, struja u krugu će se neznatno smanjiti. Obično se električni otpor korisnog opterećenja u krugu solarne ćelije bira tako da se dobije maksimalna električna snaga koja se isporučuje ovom opterećenju.

Solarna fotoćelija je napravljena od pločice napravljene od poluvodičkog materijala, kao što je silicijum. U ploči se stvaraju regije sa p- i n-tipovima provodljivosti (slika 2). Metode za stvaranje ovih područja uključuju, na primjer, metodu difuzije nečistoća ili metodu rasta jednog poluprovodnika na drugi. Zatim se izrađuju donji i gornji električni kontakt (elektrode su zasenčene na slici), a donji kontakt je čvrst, a gornji je napravljen u obliku češljaste strukture (tanke trake povezane relativno širokom sabirnicom struje ).

Glavni materijal za proizvodnju solarnih ćelija je silicijum. Tehnologija proizvodnje poluvodičkog silicijuma i fotoćelija na njemu bazirana je na metodama razvijenim u mikroelektronici - najrazvijenijoj industrijskoj tehnologiji. Silicijum je, očigledno, generalno jedan od najproučavanijih materijala u prirodi, a takođe i drugi najzastupljeniji nakon kiseonika. S obzirom da su prve solarne ćelije napravljene od silicijuma prije četrdesetak godina, prirodno je da ovaj materijal igra prvu ulogu u programima solarne fotonaponske energije. Fotoćelije napravljene od monokristalnog silicijuma kombinuju prednosti korišćenja relativno jeftinog poluprovodničkog materijala sa visokim parametrima uređaja koji se dobijaju iz njega.

Donedavno su solarne ćelije za zemaljsku upotrebu, kao i za svemirske aplikacije, pravljene na bazi relativno skupog monokristalnog silicijuma. Smanjenje cijene početnog silicija, razvoj metoda visokih performansi za proizvodnju pločica od ingota i napredne tehnologije za proizvodnju solarnih ćelija omogućili su višestruko smanjenje cijene zemaljskih solarnih ćelija na njihovoj osnovi. Glavne oblasti rada na daljem smanjenju troškova solarne električne energije su: dobijanje elemenata na bazi jeftinog, uključujući traku, polikristalnog silicijuma; razvoj jeftinih tankoslojnih elemenata na bazi amorfnog silicijuma i drugih poluprovodničkih materijala; Pretvaranje koncentrisanog sunčevog zračenja koristeći visoko efikasne elemente na bazi silicijuma i relativno novi poluvodički materijal aluminijum-galijum-arsen.

Na slici 3 prikazana su dva šematska dijagrama fotonaponskih instalacija sa koncentratorima sunčevog zračenja u obliku ogledala (gore) i Fresnelovih sočiva (dole). Fresnelova sočiva je ploča od pleksiglasa debljine 1-3 mm, čija je jedna strana ravna, a na drugoj se nalazi profil u obliku koncentričnih prstenova koji ponavlja profil konveksnog sočiva. Fresnelova sočiva su znatno jeftinija od konvencionalnih konveksnih sočiva i pružaju stepen koncentracije od 2 - 3 hiljade "sunca".

IN poslednjih godina Svijet je napravio značajan napredak u razvoju silicijumskih solarnih ćelija koje rade pod koncentrisanim sunčevim zračenjem. Silicijumski elementi sa efikasnošću > 25% nastali su u uslovima zračenja na površini Zemlje na nivou koncentracije od 20 - 50 "sunaca". Značajno veće stepene koncentracije dozvoljavaju fotoćelije na bazi poluprovodničkog materijala aluminijum-galijum-arsen, prvi put kreirane u Fizičko-tehničkom institutu po imenu. A.F. Ioffe 1969. U takvim solarnim ćelijama se postižu vrijednosti efikasnosti > 25% pri razinama koncentracije do 1000 puta. Unatoč visokoj cijeni takvih elemenata, njihov doprinos trošku proizvedene električne energije ne pokazuje se odlučujućim kada visoki stepeni koncentracija sunčevog zračenja zbog značajnog (do 1000 puta) smanjenja njihove površine. Situacija u kojoj cijena fotoćelija ne daje značajan doprinos ukupnim troškovima solarne instalacije čini opravdanim kompliciranje i povećanje cijene fotoćelije ako se time osigurava povećanje efikasnosti. Ovo objašnjava trenutnu pažnju koja se posvećuje razvoju kaskadnih solarnih ćelija, kojima se može postići značajno povećanje efikasnosti. U kaskadnoj solarnoj ćeliji, solarni spektar se dijeli na dva (ili više) dijela, na primjer, vidljivi i infracrveni, od kojih se svaki pretvara pomoću fotoćelija napravljenih na bazi razni materijali. U tom slučaju se smanjuju gubici energije kvanta sunčevog zračenja. Na primjer, kod dvoelementnih kaskada teorijska vrijednost efikasnosti prelazi 40%.

ZAKLJUČAK

Iz navedenog proizilazi da je fotonaponska solarna energija obećavajuća. Sunčevo zračenje je praktički neiscrpan izvor energije, dopire do svih krajeva Zemlje, "pri ruci" je svakom potrošaču i ekološki je, pristupačan izvor energije.

Nedostatak sunčevog zračenja kao izvora energije je neravnomjernost njegovog dolaska na površinu zemlje, uslovljena dnevnom i sezonskom cikličnošću, kao i vremenskim prilikama. Stoga je problem akumulacije električne energije proizvedene korištenjem solarnih elektrana vrlo važan. Trenutno se ovaj problem rješava uglavnom korištenjem konvencionalnih uređaja za skladištenje kemikalija - baterija. Jedna od obećavajućih metoda skladištenja je korištenje električne energije za elektrolizu vode u vodonik i kisik, nakon čega slijedi skladištenje i korištenje vodonika kao ekološki prihvatljivog goriva, budući da se sagorijevanjem vodika proizvodi samo vodena para.

Veliki razvoj fotonaponske tehnike daće ogroman podsticaj razvoju regiona Zemlje sa visokim prosečnim godišnjim sunčevim zračenjem. To se prvenstveno odnosi na pustinjske i sušne oblasti, koje će „dolaskom“ solarne struje postati područja pogodna za aktivnu poljoprivredu – žitnice na Zemlji. Znači li to da napore stručnjaka treba usmjeriti samo na razvoj fotoelektričnih pretvarača i rješavanje direktno povezanih problema? Naravno da ne. Ne možete razviti jedan pravac na račun potiskivanja drugih pravaca. Isto važi i za elektroprivredu: ona se ne može graditi samo na jednoj vrsti resursa. Mora se temeljiti na mnogim izvorima: solarnim, vjetroelektranskim, nuklearnim i, naravno, tradicionalnim fosilnim izvorima. To će omogućiti pronalaženje optimalnih načina njihove interakcije, postepeno kretanje ka savršenom, ekološki prihvatljivom i pouzdanom energetskom sektoru budućnosti.

LITERATURA

1. Vasiliev A.M., Landsman A.P. Poluprovodnički fotokonvertori. M.: Sov. radio, 1971.
2. Alferov Zh.I. Fotonaponska solarna energija / U: Budućnost nauke. M.: Znanje, 1978. P. 92-101.
3. Koltun M.M. Optika i mjeriteljstvo solarnih ćelija. M.: Nauka, 1985.
4. Andreev V.M., Grilikhes V.A., Rumjancev V.D. Fotoelektrična konverzija koncentriranog sunčevog zračenja. L.: Nauka, 1989.
5. Koltun M.M. Solarne ćelije. M.: Nauka, 1987.
6. Grilikhes V.A., Orlov P.P., Popov L.B. Sunčeva energija i svemirski letovi. M.: Nauka, 1984.

Brzi rast potrošnje energije dovodi do ograničenih fosilnih energetskih resursa. Sve je teže održavati visok tempo razvoja energetike korištenjem tradicionalnih izvora energije. Tema mog rada, “Fotonaponske konverzije solarne energije”, trenutno je najrelevantnija.

U sažetku, opisao sam metode za pretvaranje sunčeve energije koje bi mogle zadovoljiti brzo rastuće energetske potrebe za mnogo hiljada godina. Električna energija je najpogodnija vrsta energije za korištenje i prijenos, budući da je sunčevo zračenje praktički neiscrpan izvor energije.

Po mom mišljenju, veliki razvoj fotonaponske energije će dati ogroman podsticaj razvoju područja na Zemlji sa visokim prosječnim godišnjim sunčevim zračenjem.

Pregled

U sažetku "Fotonaponske konverzije solarne energije" Sergej je u potpunosti otkrio odabranu temu. Ovaj rad ispituje aktuelna pitanja konverzije solarne energije: direktno toplotno grijanje i fotoelektričnu konverziju.

Proširujući temu, S. Zagatin se oslanja na radove A.F. Ioffe. U svom radu ispituje upotrebu poluprovodničkih fotonaponskih ćelija u solarnoj energiji, istoriju upotrebe solarnih baterija, kao i proces nastanka fotoEMF.

Sergejev rad ima logičan integritet, obim delova sažetka je dosledan. Prezentacija materijala je naučna i zanimljiva, ilustrovana crtežima. Postoji lična procjena problematike koja se proučava.

Prilikom pripreme sažetka korištena je dovoljna količina literature.

Smatram da je moguće oceniti rad S. Zagatina

do "5".

Supervizor

Fotoelektrična metoda pretvaranja sunčeve energije u električnu bazira se na fenomenu fotoelektričnog efekta – oslobađanja elektrona provodljivosti u prijemniku zračenja pod utjecajem kvanta sunčevog zračenja.

Ovaj efekat se koristi u poluvodičkim materijalima, u kojima je energija kvanta zračenja hn stvara, na primjer, na str–n- fotostrujni prelaz

I f=eN e,

Gdje N e– broj elektrona koji stvaraju potencijalnu razliku na spoju, zbog čega će struja curenja teći na spoju u suprotnom smjeru I, jednak fotostruji, koja je konstantna.

Gubici energije tokom fotoelektrične konverzije nastaju zbog nepotpune upotrebe fotona, kao i rasejanja, otpora i rekombinacije već generisanih provodljivih elektrona.

Najčešće industrijski proizvedene solarne ćelije (fotoćelije) su silikonske ćelije u obliku pločice. Postoje i drugi tipovi i dizajni koji se razvijaju kako bi se poboljšala efikasnost i smanjila cijena solarnih ćelija.

Debljina solarne ćelije zavisi od njene sposobnosti da apsorbuje sunčevo zračenje. Poluprovodnički materijali kao što su silicijum, galijum arsenid itd. se koriste jer počinju da apsorbuju sunčevo zračenje dovoljno duge talasne dužine, i mogu pretvoriti značajan deo u električnu energiju. Apsorpcija sunčevog zračenja raznim poluvodičkim materijalima dostiže najveću vrijednost kada je debljina ploča od 100 do 1 mikrona ili manje.

Smanjenje debljine solarnih ćelija može značajno smanjiti potrošnju materijala i troškove njihove proizvodnje.

Razlike u kapacitetu apsorpcije poluvodičkih materijala objašnjavaju se razlikama u njihovoj atomskoj strukturi.

Efikasnost pretvaranja sunčeve energije u električnu nije visoka. Za elemente silikona ne više od 12...14%.

Da bi se povećala efikasnost solarnih ćelija, na prednjoj strani solarne ćelije koriste se antirefleksni premazi. Kao rezultat, povećava se udio prenijetog sunčevog zračenja. Za elemente bez premaza gubici refleksije dostižu 30%.

Nedavno se za proizvodnju solarnih ćelija koristio niz novih materijala. Jedan od njih je amorfni silicijum, koji, za razliku od kristalnog silicijuma, nema pravilnu strukturu. Za amorfnu strukturu, vjerovatnoća apsorpcije fotona i prijelaza u pojas provodljivosti je veća. Zbog toga ima veći upijajući kapacitet. Takođe se koristi galijum arsenid (GaAs). Teorijska efikasnost elemenata na bazi GaAs može dostići 25%, a stvarni elementi imaju efikasnost od oko 16%.

Tehnologija tankoslojnih solarnih ćelija se razvija. Unatoč činjenici da efikasnost ovih elemenata u laboratorijskim uvjetima ne prelazi 16%, oni imaju nižu cijenu. Ovo je posebno vrijedno za smanjenje troškova i potrošnje materijala u masovnoj proizvodnji. U SAD-u i Japanu tankoslojni elementi se proizvode na amorfnom silicijumu površine 0,1 ... 0,4 m 2 sa efikasnošću od 8 ... 9%. Najčešća tankoslojna solarna ćelija su ćelije kadmijum sulfida (CdS) sa efikasnošću od 10%.

Još jedan napredak u tehnologiji tankoslojnih solarnih ćelija bila je proizvodnja višeslojnih ćelija. Oni vam omogućavaju da pokrijete većinu spektra sunčevog zračenja.

Aktivni materijal solarne ćelije je prilično skup. Radi efikasnijeg korišćenja, solarno zračenje se prikuplja na površini solarne ćelije pomoću sistema za koncentraciju (slika 2.7).

Kako se fluks zračenja povećava, karakteristike elementa se ne pogoršavaju ako se njegova temperatura održava na razini temperature okolnog zraka korištenjem aktivnog ili pasivnog hlađenja.

Postoji veliki broj sistema koncentriranja baziranih na sočivima (obično ravna Fresnelova sočiva), ogledalima, totalnim unutrašnjim refleksijskim prizmama itd. Ako dođe do vrlo neravnomjernog zračenja solarnih ćelija ili modula, to može dovesti do uništenja solarne ćelije.

Upotreba sistema za koncentraciju omogućava smanjenje troškova solarnih elektrana, jer su elementi za koncentraciju jeftiniji od solarnih ćelija.

Kako je cijena solarnih ćelija pala, postala je moguća izgradnja velikih fotonaponskih instalacija. Do 1984. godine izgrađeno je 14 relativno velikih solarnih elektrana snage od 200 kW do 7 MW u SAD, Italiji, Japanu, Saudijska Arabija i Njemačka.

Solarna fotonaponska instalacija ima niz prednosti. Koristi čist i neiscrpan izvor energije, nema pokretnih dijelova i stoga ne zahtijeva stalni nadzor osoblja za održavanje. Solarne ćelije se mogu proizvoditi u masovnim količinama, što će smanjiti njihovu cijenu.

Solarne baterije se sklapaju od solarnih modula. Istovremeno, postoji veliki izbor tipova i veličina ovih uređaja sa istom efikasnošću konverzije energije i istom tehnologijom proizvodnje.

Budući da je opskrba solarnom energijom periodična, najracionalnije je fotonaponske sisteme uključiti u hibridne elektrane koje koriste i solarnu energiju i prirodni gas. Nova generacija gasnih turbina mogla bi da se koristi na ovim stanicama. Hibridne elektrane male snage koje se sastoje od fotonaponskih panela i dizel generatora već su pouzdani dobavljači energije.

Kraj rada -

Ova tema pripada sekciji:

Katedra za industrijsku termoenergetiku.. bilješke sa predavanja za predmet Nivie Gribanov A.. tekst je štampan..

Ako trebaš dodatni materijal na ovu temu, ili niste pronašli ono što ste tražili, preporučujemo da koristite pretragu u našoj bazi radova:

Šta ćemo sa primljenim materijalom:

Ako vam je ovaj materijal bio koristan, možete ga spremiti na svoju stranicu na društvenim mrežama:

Tweet

Sve teme u ovoj sekciji:

Energetski resursi planete
Energetski resursi su materijalni objekti u kojima je energija koncentrisana. Energija se može grubo podijeliti na vrste: hemijska, mehanička, termička, električna itd. Na osnovne energetske resurse od

Mogućnosti korištenja energetskih resursa
Termonuklearna energija Termonuklearna energija je energija fuzije helijuma iz deuterija. Deuterijum je atom vodonika čije se jezgro sastoji od jednog protona i jednog neutra

Energetski resursi Rusije
Rusija ima ogromne rezerve energetskih resursa i posebno uglja. Teoretski potencijal su rezerve goriva koje nisu posebno provjerene. Tehnička moć

Proizvodnja energije u termoelektranama
Kao iu većini zemalja svijeta, većina električne energije u Rusiji se proizvodi u termoelektranama koje sagorevaju fosilna goriva. Kao gorivo u termoelektranama koriste se čvrsta, tečna i gasovita goriva.

Promjenjivi raspored potrošnje energije
Potrošnja električne energije nije ista tokom dana. U špicu se naglo povećava, a noću značajno smanjuje. Dakle, elektroenergetski sistem mora imati osnovne kapacitete koji rade u p.

Problemi u prijenosu električne energije
Prijenos električne energije na velike udaljenosti povezan je s gubicima u dalekovodima. Električna energija se gubi jednaka umnošku struje i električne energije. otpor žice. Prenosi se žicom

Plinska turbina i plinska postrojenja s kombiniranim ciklusom (GTU i CCGT)
Trenutno su plinska turbina i plinska postrojenja kombiniranog ciklusa najperspektivnija od svih instalacija za proizvodnju toplinske i električne energije. Upotreba ovih instalacija u mnogim zemljama

Magnetohidrodinamičke jedinice (MGDU)
Obećavajuće je i korištenje elektrana na bazi magnetohidrodinamičkog generatora. Ciklus MGDU je isti kao kod plinske turbine, tj. adijabatska kompresija i ekspanzija radnog fluida, izobarično napajanje

Gorivne ćelije
Trenutno se gorivne ćelije koriste za proizvodnju električne energije za proizvodnju električne energije. Ovi elementi pretvaraju energiju hemijske reakcije u električnu energiju. Hemijski

Toplotne pumpe
HP se nazivaju uređaji koji rade na obrnutom termodinamičkom ciklusu i dizajnirani su za prijenos topline iz izvora energije niskog potencijala na izvor visokog potencijala. Drugi zakon

Mjesto male energije u ruskom energetskom sektoru
TO netradicionalnih izvora energija može uključivati ​​male hidroelektrane, dizel elektrane, plinsko-klipne elektrane, male nuklearne elektrane. Garant pouzdanog napajanja, topline

Plinske turbine i male elektrane kombiniranog ciklusa
Gasnoturbinske elektrane male snage su kompaktne instalacije proizvedene po principu blok-kontejner. Komponente gasnoturbinske elektrane omogućavaju proizvodnju ne samo električne energije, već i

Mini CHP
Trenutno je povećan interes za kombinovanu proizvodnju toplotne i električne energije pomoću malih elektrana snage od nekoliko desetina kW do nekoliko

Dizel elektrane
U nekim teško dostupnim regijama Rusije, gdje je neisplativo postavljati dalekovode, benzinske i dizel elektrane se koriste za opskrbu energijom stanovništva ovih područja. U krajevima krajnjeg sjevera broj

Elektrane sa plinskim klipom
Jer Budući da cijene dizel goriva konstantno rastu, korištenje dizel elektrana na dizel gorivo postaje sve skupo, zbog čega trenutno postoji veliko interesovanje za

Male hibridne elektrane
Za povećanje pouzdanosti i efikasnosti sistema napajanja potrebno je stvaranje multifunkcionalnih energetskih kompleksa (MEC). Također, kompleksi se mogu kreirati na bazi malih hibridnih električnih

Male nuklearne elektrane
U posljednje vrijeme postoji veliko interesovanje za nuklearne elektrane male snage. Ovo su blok projektirane stanice; one vam omogućavaju da objedinite opremu i radite autonomno. Takve stanice mogu biti pouzdane

Mala hidroelektrana
Lider u razvoju malih hidroelektrana je Kina. Kapacitet malih hidroelektrana (MHE) u Kini premašuje 20 hiljada MW. U Indiji, instalirani kapacitet mHE premašuje 200 MW. Široka upotreba mHE

Osnovni neobnovljivi izvori energije će prije ili kasnije biti iscrpljeni. Trenutno, oko 80% potrošnje energije na planeti dolazi od fosilnih goriva. Kada se koristi na ovaj način, organski

Hidroenergija
Hidroelektrana kao izvor energije koristi energiju protoka vode. Hidroelektrane se grade na rijekama izgradnjom brana i akumulacija. Za efikasnu proizvodnju energije u hidroelektranama potrebna su 2 glavna faktora

Solarna energija
Sunčeva energija je rezultat reakcije fuzije između jezgara lakih elemenata deuterijuma, tricijuma i helijuma, koje su praćene ogromnim količinama energije. Izvor sve energije, sa izuzetkom

Pretvaranje solarne energije u toplotnu energiju
Sunčeva energija se može pretvoriti u toplotnu pomoću kolektora. Svi solarni kolektori imaju površinski ili volumetrijski apsorber topline. Toplota se može ukloniti iz kolektora ili uskladištiti

Termodinamička konverzija sunčeve energije u električnu energiju
Metode za termodinamičku konverziju sunčeve energije u električnu energiju zasnivaju se na ciklusima toplotnih motora. Sunčeva energija se u solarnim elektranama pretvara u električnu (

Izgledi za razvoj solarne energije u Rusiji
1985. godine, u selu Ščelkino, Krimska oblast, puštena je u rad prva solarna elektrana tipa tornja u SSSR-u, SES-5, električne snage 5 MW. 1600 heliostata (ravna zrna

Osobine korištenja energije vjetra
Glavni uzrok vjetra je neravnomjerno zagrijavanje zemljine površine od sunca. Energija vjetra je veoma jaka. Prema procjenama Svjetske meteorološke organizacije, rezerve energije vjetra

Proizvodnja električne energije pomoću vjetroturbina
Najviše se koristi vjetroturbina za proizvodnju električne energije efikasan način konverzija energije vjetra. Prilikom projektovanja vjetroturbina potrebno je uzeti u obzir njihove sljedeće karakteristike

Energija vjetra u Rusiji
Energetski potencijal Rusije procjenjuje se na 40 milijardi kW. h električne energije godišnje, odnosno oko 20.000 MW. Vetroelektrana kapaciteta 1 MW sa prosečnom godišnjom brzinom vetra od 6 m/s štedi 1

Poreklo geotermalne energije
U Zemljinom jezgru temperature dostižu 4000 °C. Oslobađanje topline kroz čvrste stijene kopna i oceanskog dna događa se uglavnom zbog toplinske provodljivosti i, rjeđe, u obliku konvektivnih tokova rastopljene tekućine.

Tehnika geotermalne ekstrakcije topline
Izvori geotermalne energije mogu se podijeliti u pet tipova. 1. Izvori geotermalne suhe pare. Prilično su rijetki, ali su najpogodniji za izgradnju geotermalnih elektrana. 2. Izvor

Struja
Pretvaranje geotermalne energije u električnu energiju vrši se mašinskom metodom pomoću termodinamičkog ciklusa u geotermalnoj elektrani. Za izgradnju geotermalnih elektrana, najviše se koriste

Obim upotrebe geotermalne toplote za grejanje i snabdevanje toplom vodom je značajniji. U zavisnosti od kvaliteta i temperature termalne vode postoje razne šeme geotermalni

Utjecaj geotermalne energije na okoliš
Glavni uticaj GeoTPP na životnu sredinu povezan je sa razvojem polja, izgradnjom zgrada i parovoda. Da bih GeoTES-u obezbedio potrebnu količinu pare ili tople vode, potreban mi je

Geotermalna energija u Rusiji
U Rusiji je istraženo 47 geotermalnih ležišta sa rezervama termalnih voda, koje omogućavaju dobijanje više od 240 × 103 m3/dan. termalne vode, a proizvode parne hidroterme

Uzroci valunga
Plima i oseka su rezultat gravitacijske interakcije Zemlje sa Mjesecom i Suncem. Mjesečeva plimna sila u datoj tački zemljine površine određena je kao razlika u lokalnoj vrijednosti gravitacijske sile

Plimne elektrane (TE)
Voda podignuta na maksimalnu visinu tokom plime može se odvojiti od mora branom. Kao rezultat, formira se plimni bazen. Maksimalna snaga koja se može dobiti prolaskom

Uticaj PES-a na životnu sredinu
Mogući ekološki uticaji elektrana na plimu i oseku mogu biti povezani sa povećanim rasponima plime i oseke na okeanskoj strani brane. To može dovesti do poplave zemljišta i objekata

Energija plime i oseke u Rusiji
U Rusiji je upotreba energije plime i oseke u obalnim zonama Arktika i Tihog okeana povezana s velikim kapitalnim investicijama. Prva elektrana u našoj zemlji Kislogubska TE

Energija talasa
Od morski talasi Možete dobiti ogromnu količinu energije. Snaga koju valovi prenose kroz duboku vodu proporcionalna je kvadratu njihove amplitude i perioda. Najveći interes su dugi

Energija okeanskih struja
Čitavo vodeno područje Svjetskog okeana presijecaju površinske i duboke struje. Rezerva kinetičke energije ovih struja je oko 7,2∙1012 kW∙h/god. Ova energija uz pomoć

Okeanski termalni energetski resursi
Svjetski okeani su prirodni akumulator sunčeve energije. U tropskim morima gornji sloj vode debljine nekoliko metara ima temperaturu od 25...30 °C. Na dubini od 1000 m temperatura vode je

Okeanske termoelektrane
Predlaže se nekoliko vrsta uređaja za pretvaranje energije promjena temperature u oceanu. Najveći interes je pretvaranje toplotne energije u električnu energiju pomoću termodinamike

Resursi biomase
Termin "biomasa" znači organska materija biljnog ili životinjskog porijekla, koji se mogu koristiti za dobijanje energije ili tehnički pogodnih goriva

Termohemijska konverzija biomase (sagorevanje, piroliza, gasifikacija)
Jedan od glavnih pravaca reciklaže drvnog otpada je njegovo korištenje za proizvodnju toplinske i električne energije. Glavne tehnologije za dobijanje energije iz drvnog otpada su:

Biotehnološka konverzija biomase
Biotehnološka konverzija koristi različiti organski otpad sa sadržajem vlage od najmanje 75%. Biološka konverzija biomase se razvija u dva glavna pravca: 1) farma

Ekološki problemi bioenergije
Bioenergetska postrojenja pomažu u smanjenju zagađenja okoliša od svih vrsta otpada. Anaerobna fermentacija nije samo efikasan način korištenja životinjskog otpada

Karakteristike komunalnog čvrstog otpada (MSW)
Stotine hiljada tona kućnog otpada akumulira se na gradskim deponijama svake godine. Specifična godišnja proizvodnja čvrstog otpada po stanovniku modernog grada iznosi 250...700 kg. U razvijenim zemljama ova vrijednost je e

Reciklaža čvrstog otpada na deponijama
Trenutno se komunalni čvrsti otpad obično odvozi na deponije uz očekivanje njihove naknadne mineralizacije. Preporučljivo je da se čvrsti otpad zbije prije odlaganja. Ovo ne samo da smanjuje

Kompostiranje čvrstog otpada
Drugi pravac zbrinjavanja čvrstog otpada je prerada u organsko đubrivo (kompost). Kompostira do 60% ukupna masa kućni otpad. Proces kompostiranja se odvija u rotaciji

Spaljivanje čvrstog otpada u specijalnim postrojenjima za spaljivanje otpada
U ekonomski razvijenim zemljama, sve veća količinaČvrsti otpad se industrijski obrađuje. Najefikasniji od njih je termički. Omogućava vam smanjenje količine otpada za skoro 10 puta

Fotoelektrična metoda pretvaranja sunčeve energije u električnu bazira se na fenomenu fotoelektričnog efekta – oslobađanja elektrona provodljivosti u prijemniku zračenja pod utjecajem kvanta sunčevog zračenja.

Ovaj efekat se koristi u poluvodičkim materijalima, u kojima je energija kvanta zračenja h stvara, na primjer, na str–n- fotostrujni prelaz

I f =eN e ,

Gdje N e– broj elektrona koji stvaraju potencijalnu razliku na spoju, zbog čega će struja curenja teći na spoju u suprotnom smjeru I, jednak fotostruji, koja je konstantna.

Gubici energije tokom fotoelektrične konverzije nastaju zbog nepotpune upotrebe fotona, kao i rasejanja, otpora i rekombinacije već generisanih provodljivih elektrona.

Najčešće industrijski proizvedene solarne ćelije (fotoćelije) su silikonske ćelije u obliku pločice. Postoje i drugi tipovi i dizajni koji se razvijaju kako bi se poboljšala efikasnost i smanjila cijena solarnih ćelija.

Debljina solarne ćelije zavisi od njene sposobnosti da apsorbuje sunčevo zračenje. Poluprovodnički materijali kao što su silicijum, galijum arsenid itd. se koriste jer počinju da apsorbuju sunčevo zračenje dovoljno duge talasne dužine, i mogu pretvoriti značajan deo u električnu energiju. Apsorpcija sunčevog zračenja raznim poluvodičkim materijalima dostiže najveću vrijednost kada je debljina ploča od 100 do 1 mikrona ili manje.

Smanjenje debljine solarnih ćelija može značajno smanjiti potrošnju materijala i troškove njihove proizvodnje.

Razlike u kapacitetu apsorpcije poluvodičkih materijala objašnjavaju se razlikama u njihovoj atomskoj strukturi.

Efikasnost pretvaranja sunčeve energije u električnu nije visoka. Za elemente silikona ne više od 12...14%.

Da bi se povećala efikasnost solarnih ćelija, na prednjoj strani solarne ćelije koriste se antirefleksni premazi. Kao rezultat, povećava se udio prenijetog sunčevog zračenja. Za elemente bez premaza gubici refleksije dostižu 30%.

Nedavno se za proizvodnju solarnih ćelija koristio niz novih materijala. Jedan od njih je amorfni silicijum, koji, za razliku od kristalnog silicijuma, nema pravilnu strukturu. Za amorfnu strukturu, vjerovatnoća apsorpcije fotona i prijelaza u pojas provodljivosti je veća. Zbog toga ima veći upijajući kapacitet. Takođe se koristi galijum arsenid (GaAs). Teorijska efikasnost elemenata na bazi GaAs može dostići 25%, a stvarni elementi imaju efikasnost od oko 16%.

Tehnologija tankoslojnih solarnih ćelija se razvija. Unatoč činjenici da efikasnost ovih elemenata u laboratorijskim uvjetima ne prelazi 16%, oni imaju nižu cijenu. Ovo je posebno vrijedno za smanjenje troškova i potrošnje materijala u masovnoj proizvodnji. U SAD-u i Japanu tankoslojni elementi se proizvode na amorfnom silicijumu površine 0,1 ... 0,4 m 2 sa efikasnošću od 8 ... 9%. Najčešća tankoslojna solarna ćelija su ćelije kadmijum sulfida (CdS) sa efikasnošću od 10%.

Još jedan napredak u tehnologiji tankoslojnih solarnih ćelija bila je proizvodnja višeslojnih ćelija. Oni vam omogućavaju da pokrijete većinu spektra sunčevog zračenja.

Aktivni materijal solarne ćelije je prilično skup. Radi efikasnijeg korišćenja, solarno zračenje se prikuplja na površini solarne ćelije pomoću sistema za koncentraciju (slika 2.7).

Kako se fluks zračenja povećava, karakteristike elementa se ne pogoršavaju ako se njegova temperatura održava na razini temperature okolnog zraka korištenjem aktivnog ili pasivnog hlađenja.

Postoji veliki broj sistema koncentriranja baziranih na sočivima (obično ravna Fresnelova sočiva), ogledalima, totalnim unutrašnjim refleksijskim prizmama itd. Ako dođe do vrlo neravnomjernog zračenja solarnih ćelija ili modula, to može dovesti do uništenja solarne ćelije.

Upotreba sistema za koncentraciju omogućava smanjenje troškova solarnih elektrana, jer su elementi za koncentraciju jeftiniji od solarnih ćelija.

Kako je cijena solarnih ćelija pala, postala je moguća izgradnja velikih fotonaponskih instalacija. Do 1984. godine izgrađeno je 14 relativno velikih solarnih elektrana kapaciteta od 200 kW do 7 MW u SAD-u, Italiji, Japanu, Saudijskoj Arabiji i Njemačkoj.

Solarna fotonaponska instalacija ima niz prednosti. Koristi čist i neiscrpan izvor energije, nema pokretnih dijelova i stoga ne zahtijeva stalni nadzor osoblja za održavanje. Solarne ćelije se mogu proizvoditi u masovnim količinama, što će smanjiti njihovu cijenu.

Solarne baterije se sklapaju od solarnih modula. Istovremeno, postoji veliki izbor tipova i veličina ovih uređaja sa istom efikasnošću konverzije energije i istom tehnologijom proizvodnje.

Budući da je opskrba solarnom energijom periodična, najracionalnije je fotonaponske sisteme uključiti u hibridne elektrane koje koriste i sunčevu energiju i prirodni plin. Nova generacija gasnih turbina mogla bi da se koristi na ovim stanicama. Hibridne elektrane male snage koje se sastoje od fotonaponskih panela i dizel generatora već su pouzdani dobavljači energije.

Energetski najefikasniji uređaji za pretvaranje sunčeve energije u električnu (budući da se radi o direktnom, jednostepenom energetskom prijelazu) su poluvodički fotonaponski pretvarači (PVC). Pri ravnotežnoj temperaturi karakterističnoj za solarne ćelije reda veličine 300-350 Kelvina i sunčevoj temperaturi od ~ 6000 K, njihova maksimalna teorijska efikasnost je >90%. To znači da će, kao rezultat optimizacije strukture i parametara pretvarača, u cilju smanjenja nepovratnih gubitaka energije, biti sasvim moguće povećati praktičnu efikasnost na 50% ili više (u laboratorijama je efikasnost od 40% već bila postignuto).

Teorijska istraživanja i praktični razvoj u oblasti fotonaponske konverzije solarne energije potvrdili su mogućnost postizanja ovako visokih vrijednosti efikasnosti sa solarnim ćelijama i identificirali glavne načine za postizanje ovog cilja.

Konverzija energije u fotonaponskim ćelijama zasniva se na fotonaponskom efektu, koji se javlja u nehomogenim poluvodičkim strukturama kada su izložene sunčevom zračenju.Heterogenost strukture fotonaponskih ćelija može se postići dopiranjem istog poluprovodnika raznim nečistoćama (stvaranjem p - n spojeva) ili povezivanjem različitih poluprovodnika sa nejednakom širinom pojasnog pojasa - energija uklanjanja elektrona iz atoma (stvaranje heterospojnica), ili usled promena hemijski sastav poluprovodnika, što dovodi do pojave gradijenta pojasnog pojasa (stvaranje graded-gap struktura). Moguće su i različite kombinacije gore navedenih metoda. Efikasnost konverzije zavisi od električnih karakteristika nehomogene poluprovodničke strukture, kao i optička svojstva FEP, među kojima najvažniju ulogu ima fotoprovodljivost, uzrokovana pojavama unutrašnjeg fotoelektričnog efekta u poluvodičima kada su zračeni sunčevom svjetlošću. Princip rada fotonaponskih ćelija može se objasniti na primjeru pretvarača sa pn spoj, koji se široko koriste u modernoj solarnoj i svemirskoj energiji. Spoj elektron-rupa nastaje dopiranjem pločice od monokristalnog poluvodičkog materijala određene vrste vodljivosti (tj. p- ili n-tipa) nečistoćom, čime se osigurava stvaranje površinskog sloja sa provodljivošću suprotnog tipa. tip. Koncentracija dopanta u ovom sloju mora biti znatno veća od koncentracije dopanta u osnovnom (originalnom monokristalnom) materijalu kako bi se neutralizirali glavni slobodni nosioci naboja prisutni tamo i stvorila provodljivost suprotnog predznaka. U n-i granice p-slojevi, kao rezultat protoka naboja, formiraju se osiromašene zone s nekompenziranim volumetrijskim pozitivnim nabojem u n-sloju i volumetrijskim negativnim nabojem u p-sloju. Ove zone zajedno čine p-n spoj. Potencijalna barijera (kontaktna razlika potencijala) koja se pojavljuje na prijelazu sprječava prolaz glavnih nosilaca naboja, tj. elektrona sa strane p-sloja, ali slobodno dozvoljavaju manjinskim nosiocima da prolaze u suprotnim smjerovima. Ovo svojstvo p-n spojeva određuje mogućnost dobivanja foto-emf pri zračenju solarne ćelije sunčevom svjetlošću. Neravnotežni nosači naboja (parovi elektron-rupa) stvoreni svjetlošću u oba sloja fotonaponske ćelije razdvojeni su na p-n spoju: manjinski nosioci (tj. elektroni) slobodno prolaze kroz spoj, a većinski nosioci (rupe) se zadržavaju. Tako će pod uticajem sunčevog zračenja kroz p-n spoj teći u oba smjera struja neravnotežnih manjinskih nosilaca naboja – fotoelektrona i fotorupa, što je upravo ono što je potrebno za rad solarne ćelije. Ako sada zatvorimo vanjski krug, tada će se elektroni iz n-sloja, nakon što su izvršili rad na opterećenju, vratiti u p-sloj i tamo se rekombinovati (ujediniti) s rupama koje se kreću unutar solarne ćelije u suprotnom smjeru. Za prikupljanje i uklanjanje elektrona u vanjsko kolo, postoji kontaktni sistem na površini poluvodičke strukture solarne ćelije. Na prednjoj, osvijetljenoj površini pretvarača, kontakti su izrađeni u obliku rešetke ili češlja, a na stražnjoj mogu biti čvrsti. Glavni nepovratni gubici energije u solarnim ćelijama povezani su sa:

• Š refleksija sunčevog zračenja od površine pretvarača,
• Š propuštanjem dijela zračenja kroz fotonaponsku ćeliju bez apsorpcije u njoj,
• Š rasipanje viška energije fotona na toplotnim vibracijama rešetke,
• Š rekombinacija formiranih fotoparova na površinama i u zapremini fotonaponske ćelije,
• Š unutrašnji otpor pretvarača,
• Š i neki drugi fizički procesi.

Za smanjenje svih vrsta gubitaka energije u solarnim elektranama razvijaju se i uspješno primjenjuju različite mjere. To uključuje:

b korištenje poluvodiča sa zapornim razmakom optimalnim za sunčevo zračenje;

b ciljano poboljšanje svojstava poluvodičke strukture kroz njeno optimalno dopiranje i stvaranje ugrađenih električnih polja;

b prelazak sa homogenih na heterogene poluprovodničke strukture sa stepenastim razmakom;

b optimizacija projektnih parametara PV (dubina pn spoja, debljina osnovnog sloja, frekvencija kontaktne mreže, itd.);

b korištenje multifunkcionalnih optičkih premaza koji obezbjeđuju antirefleksiju, termoregulaciju i zaštitu solarnih ćelija od kosmičkog zračenja;

b razvoj solarnih ćelija koje su transparentne u dugotalasnom području sunčevog spektra izvan ruba glavnog apsorpcionog pojasa;

b stvaranje kaskadnih solarnih ćelija od poluprovodnika posebno odabranih za njihovu širinu pojasnog razmaka, što omogućava pretvaranje zračenja u svakoj kaskadi koje je prošlo kroz prethodnu kaskadu, itd.;

Takođe, značajno povećanje efikasnosti solarnih ćelija postignuto je stvaranjem pretvarača sa dvostranom osetljivošću (do +80% postojeće efikasnosti jedne strane), upotrebom luminiscentnih reemitujućih struktura i preliminarnim dekompozicija sunčevog spektra na dva ili više spektralnih regiona korišćenjem višeslojnih filmskih razdelnika snopa (dihroičnih ogledala). ) uz naknadnu transformaciju svakog dela spektra posebnom fotonaponskom ćelijom, itd.5

U sistemima za konverziju energije solarnih elektrana (solarne elektrane), u principu, mogu se koristiti bilo koje vrste solarnih ćelija različitih struktura na bazi različitih poluvodičkih materijala koji su stvoreni i koji se trenutno razvijaju, ali ne zadovoljavaju sve set zahtjeva za ove sisteme:

• · visoka pouzdanost sa dugim (desetine godina!) vijekom trajanja;
• · dostupnost izvornih materijala u količinama dovoljnim za izradu elemenata sistema konverzije i mogućnost organizacije njihove masovne proizvodnje;
• · troškovi energije za kreiranje sistema konverzije koji su prihvatljivi sa stanovišta perioda povrata;
• · minimalni troškovi energije i mase vezani za upravljanje sistemom za konverziju i prenos energije (prostorom), uključujući orijentaciju i stabilizaciju stanice u cjelini;
• · jednostavnost održavanja.

Na primjer, neke perspektivne materijale je teško nabaviti u količinama potrebnim za stvaranje solarnih elektrana zbog ograničenih prirodnih rezervi sirovina i složenosti njihove prerade. Određene metode za poboljšanje energetskih i operativnih karakteristika solarnih ćelija, na primjer, stvaranjem složenih struktura, slabo su kompatibilne s mogućnostima organiziranja njihove masovne proizvodnje uz niske troškove itd. Visoka produktivnost se može postići samo organizacijom potpuno automatizovane fotonaponske proizvodnje, na primer, zasnovane na tehnologiji traka, i stvaranjem razvijene mreže specijalizovanih preduzeća odgovarajućeg profila, tj. u stvari, čitava industrija, uporediva po obimu sa modernom radio-elektronskom industrijom. Proizvodnja solarnih ćelija i montaža solarnih baterija na automatizovanim linijama smanjiće cenu baterijskog modula za 2-2,5 puta.Silicijum i galijev arsenid (GaAs) trenutno se smatraju najverovatnijim materijalima za fotonaponske sisteme za konverziju solarne energije solarnih elektrana (GaAs), au potonjem U ovom slučaju govorimo o heterofotokonverterima (HPC) sa strukturom AlGaAs-GaAs.

FEC (fotonaponski pretvarači) zasnovani na spoju arsena sa galijumom (GaAs), kao što je poznato, imaju veću teorijsku efikasnost od silicijumskih FEC-a, jer se njihova širina pojasnog razmaka praktično poklapa sa optimalnom širinom pojasnog razmaka za poluprovodničke pretvarače solarne energije =1,4 eV. Za silicijum, ovaj indikator = 1,1 eV.

Zbog više visoki nivo apsorpcija sunčevog zračenja, određena direktnim optičkim prelazima u GaAs, visoka efikasnost fotonaponskih ćelija na bazi njih može se postići sa debljinom PV ćelije koja je znatno manja u odnosu na silicijum. U principu, dovoljno je imati GFP debljinu od 5-6 mikrona da bi se dobila efikasnost reda od najmanje 20%, dok debljina silicijumskih elemenata ne može biti manja od 50-100 mikrona bez primjetnog smanjenja njihove efikasnosti. . Ova okolnost nam omogućava da računamo na stvaranje laganih filmskih HFP-a, za čiju će proizvodnju biti potrebno relativno malo početnog materijala, posebno ako je moguće koristiti ne GaAs kao supstrat, već drugi materijal, na primjer, sintetički safir (Al 2 O 3).

GFC takođe imaju povoljnije operativne karakteristike u pogledu zahteva za SES pretvarače u poređenju sa silicijumskim fotonaponskim ćelijama. Tako, posebno, mogućnost postizanja malih početnih vrijednosti reverznih struja zasićenja u p-n spojevima zbog velikog pojasa omogućava minimiziranje veličine negativnih temperaturnih gradijenata efikasnosti i optimalne snage HFP-a i, pored toga, , značajno proširuju područje linearne zavisnosti potonjeg od gustine svjetlosnog toka . Eksperimentalne zavisnosti efikasnosti HFP-a od temperature pokazuju da povećanje ravnotežne temperature ovih potonjih na 150-180 °C ne dovodi do značajnog smanjenja njihove efikasnosti i optimalne specifične snage. Istovremeno, za silicijumske solarne ćelije, povećanje temperature iznad 60-70 ° C je gotovo kritično - efikasnost se smanjuje za polovinu.

Zbog svoje otpornosti na visoke temperature, solarne ćelije galij-arsenida mogu se koristiti kao koncentratori sunčevog zračenja. Radna temperatura HFP-a na bazi GaAs dostiže 180 °C, što je već prilično radna temperatura za toplotne mašine i parne turbine. Dakle, na 30% intrinzične efikasnosti galijum-arsenidnih HFP-ova (na 150°C), možemo dodati efikasnost toplotnog motora koji koristi otpadnu toplotu tečnosti koja hladi fotoćelije. Dakle, ukupna efikasnost instalacije, koja koristi i treći ciklus niskotemperaturnog izvlačenja toplote iz rashladne tečnosti nakon turbine za zagrevanje prostora, može biti i veća od 50-60%.

Takođe, HFC-ovi na bazi GaAs su mnogo manje podložni razaranju visokoenergetskim tokovima protona i elektrona od silicijumskih FEC-a zbog visokog nivoa apsorpcije svetlosti u GaAs, kao i malog potrebnog životnog veka i dužine difuzije manjinskih nosača. Osim toga, eksperimenti su pokazali da značajan dio radijacijskih defekata u HFP-ovima na bazi GaAs nestaje nakon njihove toplinske obrade (žarenja) na temperaturi od samo oko 150-180 °C. Ako GaAs HFC konstantno rade na temperaturi reda od 150 °C, tada će stepen radijacijske degradacije njihove efikasnosti biti relativno mali tokom čitavog perioda aktivnog rada stanica (ovo posebno važi za svemirske solarne elektrane, za koje je važna mala težina i veličina FEC-a i visoka efikasnost).

Generalno, možemo zaključiti da su energetske, masene i operativne karakteristike HFC-ova na bazi GaAs više u skladu sa zahtjevima SES i SCES (prostor) nego karakteristikama silicijumskih FEC-ova. Međutim, silicij je mnogo pristupačniji i široko korišteni materijal od galij arsenida. Silicijum je rasprostranjen u prirodi, a zalihe sirovina za stvaranje solarnih ćelija na bazi njega gotovo su neograničene. Tehnologija proizvodnje silicijumskih solarnih ćelija je dobro uspostavljena i stalno se poboljšava. Postoji realna perspektiva smanjenja troškova silicijumskih solarnih ćelija za jedan do dva reda veličine uvođenjem novih automatizovanih proizvodnih metoda, koje omogućavaju, posebno, proizvodnju silikonskih traka, solarnih ćelija velike površine itd.

Cijene silicijumskih fotonaponskih baterija su se smanjile tokom 25 godina za 20-30 puta sa 70-100 dolara po vatu u sedamdesetim na 3,5 dolara po vatu u 2000. godini i nastavljaju dalje da opadaju. Na Zapadu se očekuje revolucija u energetskom sektoru kada cijene pređu granicu od 3 dolara. Prema nekim proračunima, to bi se moglo dogoditi već 2002. godine, a za Rusiju, sa sadašnjim tarifama za energiju, ovaj trenutak će doći po cijeni od 1 vata solarne energije od 0,3-0,5 dolara, odnosno za red veličine niže. Cijena. Ovdje igraju ulogu svi faktori zajedno: tarife, klima, geografskim širinama, sposobnost države za realne cijene i dugoročna ulaganja. U stvarnim strukturama sa heterospojnicama efikasnost danas dostiže više od 30%, a u homogenim poluprovodnicima kao što je monokristalni silicijum - do 18%. Prosječna efikasnost solarnih ćelija na bazi monokristalnog silicijuma danas iznosi oko 12%, iako dostiže 18%. Uglavnom se radi o silikonskim SB-ovima koji se danas mogu vidjeti na krovovima kuća različite zemlje mir.

Za razliku od silicija, galijum je vrlo rijedak materijal, što ograničava mogućnost proizvodnje HFP-a na bazi GaAs u količinama potrebnim za široku primjenu.

Galij se vadi uglavnom iz boksita, ali se razmatra i mogućnost dobijanja iz ugljenog pepela i morske vode. Najveće rezerve galija se nalaze u morska voda Međutim, njegova koncentracija je tamo vrlo niska, prinos se procjenjuje na samo 1% i stoga će troškovi proizvodnje vjerovatno biti previsoki. Tehnologija proizvodnje HFP-a na bazi GaAs metodom tečne i plinske epitaksije (usmjereni rast jednog kristala na površini drugog (na podlozi)) još uvijek nije razvijena u istoj mjeri kao tehnologija za proizvodnju silicijum PVS, i kao rezultat toga, cena HFP-a je sada znatno veća (po narudžbi) od cene silicijumskih solarnih ćelija.

IN svemirski brod, gde su glavni izvor struje solarni paneli i gde su jasni odnosi mase, veličine i efikasnosti veoma važni, glavni materijal za solarne panele. Baterija je, naravno, galijum arsenid. Sposobnost ovog spoja u solarnim ćelijama da ne gubi efikasnost kada se zagrije 3-5 puta koncentrisanim sunčevim zračenjem vrlo je važna za svemirske solarne elektrane, što shodno tome smanjuje potrebu za oskudnim galijumom. Dodatni potencijal za uštedu galija je povezan sa upotrebom sintetičkog safira (Al 2 O 3) kao HFP supstrata, a ne GaAs.Troškovi HFP-a tokom njihove masovne proizvodnje zasnovane na poboljšanoj tehnologiji će takođe biti značajno smanjeni, a generalno cena sistema konverzije energije sistema za konverziju SES-a na bazi GaAs HFP može biti prilično srazmerna ceni sistema baziranog na silicijumu. Stoga je trenutno teško dati jasnu prednost jednom od dva razmatrana poluvodička materijala - silicijum ili galijev arsenid, a tek će daljnji razvoj njihove proizvodne tehnologije pokazati koja će opcija biti racionalnija za zemaljske i svemirske bazirana na solarnoj energiji. Ukoliko SB proizvode jednosmernu struju, postavlja se zadatak transformacije iste u industrijsku naizmeničnu struju 50 Hz, 220 V. Posebna klasa uređaja - invertori - savršeno se nosi sa ovim zadatkom.

Vrste fotoelektričnih pretvarača

Energetski najefikasniji uređaji za pretvaranje sunčeve energije u električnu (budući da se radi o direktnom, jednostepenom energetskom prijelazu) su poluvodički fotonaponski pretvarači (PVC). Na ravnotežnoj temperaturi karakterističnoj za PV ćelije reda veličine 300-350 Kelvina i solarnog T ~ 6000 K, njihova maksimalna teorijska efikasnost je >90%. To znači da će, kao rezultat optimizacije strukture i parametara pretvarača, u cilju smanjenja nepovratnih gubitaka energije, biti sasvim moguće povećati praktičnu efikasnost na 50% ili više (u laboratorijama je efikasnost od 40% već bila postignuto).

Teorijska istraživanja i praktični razvoj u oblasti fotonaponske konverzije solarne energije potvrdili su mogućnost postizanja ovako visokih vrijednosti efikasnosti sa solarnim ćelijama i identificirali glavne načine za postizanje ovog cilja.

Konverzija energije u fotonaponskim ćelijama zasniva se na fotonaponskom efektu, koji se javlja u nehomogenim poluvodičkim strukturama kada su izloženi sunčevom zračenju. Heterogenost PV strukture može se postići dopiranjem istog poluprovodnika različitim nečistoćama (stvaranjem p-n spojeva) ili povezivanjem različitih poluprovodnika sa nejednakim razmacima - energija uklanjanja elektrona iz atoma (stvaranje heterospojnica) ili promjenom kemijskog spoja. sastav poluprovodnika, što dovodi do pojave gradijenta pojasnog pojasa (stvaranje graded-gap struktura). Moguće su i različite kombinacije gore navedenih metoda. Efikasnost konverzije zavisi od električnih karakteristika nehomogene poluprovodničke strukture, kao i od optičkih svojstava solarne ćelije, među kojima najvažniju ulogu ima fotoprovodljivost, uzrokovana unutrašnjim fotoelektričnim efektom u poluprovodnicima kada su ozračeni sunčevom svetlošću. Princip rada fotonaponskih ćelija može se objasniti na primjeru pretvarača sa p-n spojevima, koji se široko koriste u modernoj solarnoj i svemirskoj energiji. Spoj elektron-rupa nastaje dopiranjem pločice od monokristalnog poluvodičkog materijala određene vrste vodljivosti (tj. p- ili n-tipa) nečistoćom, čime se osigurava stvaranje površinskog sloja sa provodljivošću suprotnog tipa. tip.

Koncentracija dopanta u ovom sloju mora biti znatno veća od koncentracije dopanta u osnovnom (originalnom monokristalnom) materijalu kako bi se neutralizirali glavni slobodni nosioci naboja prisutni tamo i stvorila provodljivost suprotnog predznaka. Na granici n- i p-sloja, kao rezultat protoka naboja, formiraju se osiromašene zone s nekompenziranim volumetrijskim pozitivnim nabojem u n-sloju i volumetrijskim negativnim nabojem u p-sloju. Ove zone zajedno čine p-n spoj. Potencijalna barijera (kontaktna razlika potencijala) koja se pojavljuje na prijelazu sprječava prolaz glavnih nosilaca naboja, tj. elektrona sa strane p-sloja, ali slobodno dozvoljavaju manjinskim nosiocima da prolaze u suprotnim smjerovima. Ovo svojstvo p-n spojeva određuje mogućnost dobivanja foto-emf pri zračenju solarne ćelije sunčevom svjetlošću. Neravnotežni nosači naboja (parovi elektron-rupa) stvoreni svjetlošću u oba sloja fotonaponske ćelije razdvojeni su na p-n spoju: manjinski nosioci (tj. elektroni) slobodno prolaze kroz spoj, a većinski nosioci (rupe) se zadržavaju. Tako će pod uticajem sunčevog zračenja kroz p-n spoj teći u oba smjera struja neravnotežnih manjinskih nosilaca naboja – fotoelektrona i fotorupa, što je upravo ono što je potrebno za rad solarne ćelije. Ako sada zatvorimo vanjski krug, tada će se elektroni iz n-sloja, nakon što su izvršili rad na opterećenju, vratiti u p-sloj i tamo se rekombinovati (ujediniti) s rupama koje se kreću unutar solarne ćelije u suprotnom smjeru. Za prikupljanje i uklanjanje elektrona u vanjsko kolo, postoji kontaktni sistem na površini poluvodičke strukture solarne ćelije. Na prednjoj, osvijetljenoj površini pretvarača, kontakti su izrađeni u obliku rešetke ili češlja, a na stražnjoj mogu biti čvrsti.

Glavni nepovratni gubici energije u solarnim ćelijama povezani su sa:

• refleksija sunčevog zračenja od površine pretvarača,
• prolazak dijela zračenja kroz fotonaponsku ćeliju bez apsorpcije u njoj,
• rasipanje viška energije fotona na toplotnim vibracijama rešetke,
• rekombinacija formiranih fotoparova na površinama i u zapremini fotonaponske ćelije,
• unutrašnji otpor pretvarača,
• i neke druge fizičke procese.

Za smanjenje svih vrsta gubitaka energije u solarnim elektranama razvijaju se i uspješno primjenjuju različite mjere. To uključuje:

• korištenje poluvodiča s optimalnim zazorima za sunčevo zračenje;
• ciljano poboljšanje svojstava poluvodičke strukture kroz njeno optimalno dopiranje i stvaranje ugrađenih električnih polja;
• prelazak sa homogenih na heterogene poluvodičke strukture sa stepenastim razmakom;
• optimizacija projektnih parametara PV (dubina pn spoja, debljina osnovnog sloja, frekvencija kontaktne mreže, itd.);
• korištenje multifunkcionalnih optičkih premaza koji osiguravaju antirefleksiju, regulaciju topline i zaštitu solarnih ćelija od kosmičkog zračenja;
• razvoj solarnih ćelija koje su transparentne u dugotalasnom području sunčevog spektra izvan ruba glavnog apsorpcionog pojasa;
• stvaranje kaskadnih fotonaponskih ćelija od poluprovodnika posebno odabranih za njihovu širinu pojasnog razmaka, što omogućava pretvaranje zračenja koje je prošlo kroz prethodnu kaskadu u svakoj kaskadi, itd.;

Takođe, značajno povećanje efikasnosti solarnih ćelija postignuto je stvaranjem pretvarača sa dvostranom osetljivošću (do +80% postojeće efikasnosti jedne strane), upotrebom luminiscentnih reemitujućih struktura i preliminarnim dekompozicija sunčevog spektra na dva ili više spektralnih regiona korišćenjem višeslojnih filmskih razdelnika snopa (dihroičnih ogledala) sa naknadnom transformacijom svakog dela spektra posebnom fotonaponskom ćelijom, itd.

U sistemima za konverziju energije solarnih elektrana (solarne elektrane), u principu, mogu se koristiti bilo koje vrste solarnih ćelija različitih struktura na bazi različitih poluvodičkih materijala koji su stvoreni i koji se trenutno razvijaju, ali ne zadovoljavaju sve set zahtjeva za ove sisteme:

• visoka pouzdanost s dugim (desetke godina!) vijekom trajanja;
• dostupnost izvornih materijala u količinama dovoljnim za proizvodnju elemenata sistema konverzije i mogućnost organiziranja njihove masovne proizvodnje;
• troškovi energije za kreiranje sistema konverzije koji su prihvatljivi u pogledu perioda povrata;
• minimalni troškovi energije i mase povezani sa upravljanjem sistemom konverzije i prenosa energije (prostorom), uključujući orijentaciju i stabilizaciju stanice u cjelini;
• jednostavnost održavanja.

Na primjer, neke perspektivne materijale je teško nabaviti u količinama potrebnim za stvaranje solarnih elektrana zbog ograničenih prirodnih rezervi sirovina i složenosti njihove prerade. Određene metode za poboljšanje energetskih i operativnih karakteristika solarnih ćelija, na primjer, stvaranjem složenih struktura, slabo su kompatibilne s mogućnostima organiziranja njihove masovne proizvodnje uz niske troškove itd. Visoka produktivnost se može postići samo organizacijom potpuno automatizovane fotonaponske proizvodnje, na primer, zasnovane na tehnologiji traka, i stvaranjem razvijene mreže specijalizovanih preduzeća odgovarajućeg profila, tj. u stvari, čitava industrija, uporediva po obimu sa modernom radio-elektronskom industrijom. Proizvodnja solarnih ćelija i montaža solarnih panela na automatizovanim linijama smanjiće cenu baterijskog modula za 2-2,5 puta.

Silicijum i galijum arsenid (GaAs) se trenutno smatraju najverovatnijim materijalima za fotonaponske sisteme za pretvaranje sunčeve energije u SES, au potonjem slučaju govorimo o heterofotokonverterima (HPC) sa strukturom AlGaAs-GaAs.

FEC (fotonaponski pretvarači) zasnovani na spoju arsena sa galijumom (GaAs), kao što je poznato, imaju veću teorijsku efikasnost od silicijumskih FEC-a, jer se njihova širina pojasnog razmaka praktično poklapa sa optimalnom širinom pojasnog razmaka za poluprovodničke pretvarače solarne energije =1,4 eV. Za silicijum, ovaj indikator = 1,1 eV.

Zbog većeg stepena apsorpcije sunčevog zračenja, određenog direktnim optičkim prelazima u GaAs, visokoefikasne PV ćelije na bazi njih mogu se dobiti sa znatno manjom debljinom PV ćelija u odnosu na silicijum. U principu, dovoljno je imati GFP debljinu od 5-6 mikrona da bi se dobila efikasnost reda od najmanje 20%, dok debljina silicijumskih elemenata ne može biti manja od 50-100 mikrona bez primjetnog smanjenja njihove efikasnosti. . Ova okolnost nam omogućava da računamo na stvaranje laganih filmskih HFP-a, za čiju će proizvodnju biti potrebno relativno malo početnog materijala, posebno ako je moguće koristiti ne GaAs kao supstrat, već drugi materijal, na primjer, sintetički safir (Al2 O3 ).

GFC takođe imaju povoljnije operativne karakteristike u pogledu zahteva za SES pretvarače u poređenju sa silicijumskim fotonaponskim ćelijama. Tako, posebno, mogućnost postizanja malih početnih vrijednosti reverznih struja zasićenja u p-n spojevima zbog velikog pojasa omogućava minimiziranje veličine negativnih temperaturnih gradijenata efikasnosti i optimalne snage HFP-a i, pored toga, , značajno proširuju područje linearne zavisnosti potonjeg od gustine svjetlosnog toka . Eksperimentalne zavisnosti efikasnosti HFP-a od temperature pokazuju da povećanje ravnotežne temperature ovih potonjih na 150-180°C ne dovodi do značajnog smanjenja njihove efikasnosti i optimalne specifične snage. Istovremeno, za silicijumske solarne ćelije povećanje temperature iznad 60-70°C je gotovo kritično - efikasnost pada za polovinu.

Zbog svoje otpornosti na visoke temperature, solarne ćelije galij-arsenida mogu se koristiti kao koncentratori sunčevog zračenja. Radna temperatura HFP-a na bazi GaAs dostiže 180 °C, što je već prilično radna temperatura za toplotne mašine i parne turbine. Dakle, na 30% intrinzične efikasnosti galijum-arsenidnih HFP-ova (na 150°C), možemo dodati efikasnost toplotnog motora koji koristi otpadnu toplotu tečnosti koja hladi fotoćelije. Dakle, ukupna efikasnost instalacije, koja koristi i treći ciklus niskotemperaturnog izvlačenja toplote iz rashladne tečnosti nakon turbine za zagrevanje prostora, može biti i veća od 50-60%.

Takođe, HFC-ovi na bazi GaAs su mnogo manje podložni razaranju visokoenergetskim tokovima protona i elektrona od silicijumskih FEC-a zbog visokog nivoa apsorpcije svetlosti u GaAs, kao i malog potrebnog životnog veka i dužine difuzije manjinskih nosača. Osim toga, eksperimenti su pokazali da značajan dio radijacijskih defekata u HFP-ovima na bazi GaAs nestaje nakon njihove toplinske obrade (žarenja) na temperaturi od samo oko 150-180 °C. Ako GaAs HFC konstantno rade na temperaturi od 150°C, tada će stepen radijacijske degradacije njihove efikasnosti biti relativno mali tokom čitavog perioda aktivnog rada stanica (ovo posebno važi za svemirske solarne elektrane, za koje je važna mala težina i veličina FEC-a i visoka efikasnost).

Generalno, možemo zaključiti da su energetske, masene i operativne karakteristike HFC-ova na bazi GaAs više u skladu sa zahtjevima SES i SCES (prostor) nego karakteristikama silicijumskih FEC-ova. Međutim, silicij je mnogo pristupačniji i široko korišteni materijal od galij arsenida. Silicijum je rasprostranjen u prirodi, a zalihe sirovina za stvaranje solarnih ćelija na bazi njega gotovo su neograničene. Tehnologija proizvodnje silicijumskih solarnih ćelija je dobro uspostavljena i stalno se poboljšava. Postoji realna perspektiva smanjenja troškova silicijumskih solarnih ćelija za jedan do dva reda veličine uvođenjem novih automatizovanih proizvodnih metoda, koje omogućavaju, posebno, proizvodnju silikonskih traka, solarnih ćelija velike površine itd.

Cijene silicijumskih fotonaponskih baterija su se smanjile tokom 25 godina za 20-30 puta sa 70-100 dolara po vatu u sedamdesetim na 3,5 dolara po vatu u 2000. godini i nastavljaju dalje da opadaju. Na Zapadu se očekuje revolucija u energetskom sektoru kada cijene pređu granicu od 3 dolara. Prema nekim proračunima, to bi se moglo dogoditi već 2002. godine, a za Rusiju, sa sadašnjim tarifama za energiju, ovaj trenutak će doći po cijeni od 1 vata solarne energije od 0,3-0,5 dolara, odnosno za red veličine niže. Cijena. Ovdje igraju ulogu svi faktori zajedno: tarife, klima, geografske širine i sposobnost države da odredi realne cijene i izvrši dugoročna ulaganja. U stvarnim strukturama sa heterospojnicama efikasnost danas dostiže više od 30%, a u homogenim poluprovodnicima kao što je monokristalni silicijum - do 18%. Prosječna efikasnost solarnih ćelija na bazi monokristalnog silicijuma danas iznosi oko 12%, iako dostiže 18%. Uglavnom se radi o silikonskim SB-ovima koji se danas mogu vidjeti na krovovima kuća širom svijeta.

Za razliku od silicija, galijum je vrlo rijedak materijal, što ograničava mogućnost proizvodnje HFP-a na bazi GaAs u količinama potrebnim za široku primjenu.

Galij se vadi uglavnom iz boksita, ali se razmatra i mogućnost dobijanja iz ugljenog pepela i morske vode. Najveće rezerve galija nalaze se u morskoj vodi, ali je koncentracija tamo vrlo niska, prinos se procjenjuje na samo 1% i stoga će troškovi proizvodnje vjerovatno biti previsoki. Tehnologija proizvodnje HFP-a na bazi GaAs metodom tečne i plinske epitaksije (usmjereni rast jednog kristala na površini drugog (na podlozi)) još uvijek nije razvijena u istoj mjeri kao tehnologija za proizvodnju silicijum PVS, i kao rezultat toga, cena HFP-a je sada znatno veća (po narudžbi) od cene silicijumskih solarnih ćelija.

U svemirskim letjelicama, gdje su glavni izvor struje solarni paneli i gdje su jasni odnosi mase, veličine i efikasnosti veoma važni, glavni materijal za sunce. Baterija je, naravno, galijum arsenid. Sposobnost ovog spoja u solarnim ćelijama da ne gubi efikasnost kada se zagrije 3-5 puta koncentrisanim sunčevim zračenjem vrlo je važna za svemirske solarne elektrane, što shodno tome smanjuje potrebu za oskudnim galijumom. Dodatna rezerva za uštedu galija je povezana sa upotrebom sintetičkog safira (Al2O3) umjesto GaAs kao HFP supstrata.

Troškovi HFP-ova tokom njihove masovne proizvodnje zasnovane na poboljšanoj tehnologiji će vjerovatno također biti značajno smanjeni, a općenito, cijena sistema konverzije SES sistema za pretvaranje energije na bazi GaAs HFP-a može biti prilično uporediva sa cijenom silikonskog baziran sistem. Stoga je trenutno teško dati jasnu prednost jednom od dva razmatrana poluvodička materijala - silicijum ili galijev arsenid, a tek će daljnji razvoj njihove proizvodne tehnologije pokazati koja će opcija biti racionalnija za zemaljske i svemirske bazirana na solarnoj energiji. Ukoliko SB proizvode jednosmernu struju, postavlja se zadatak transformacije iste u industrijsku naizmeničnu struju 50 Hz, 220 V. Posebna klasa uređaja - invertori - savršeno se nosi sa ovim zadatkom.

Proračun fotonaponskog sistema.

Energija solarnih ćelija može se koristiti na isti način kao i energija drugih izvora napajanja, s tom razlikom što se solarne ćelije ne boje kratkih spojeva. Svaki od njih je dizajniran za održavanje određene količine struje na datom naponu. Ali za razliku od drugih izvora struje, karakteristike solarne ćelije zavise od količine svjetlosti koja pada na njenu površinu. Na primjer, dolazni oblak može smanjiti izlaznu snagu za više od 50%. Osim toga, odstupanja u tehnološkim uslovima za sobom povlače rasipanje izlaznih parametara elemenata jedne serije. Shodno tome, želja da se osigura maksimalna efikasnost fotonaponskih pretvarača dovodi do potrebe za sortiranjem ćelija prema izlaznoj struji. As jasan primjer„ušljiva ovca koja pokvari cijelo stado“ može se dati na sljedeći način: ubacite dio cijevi mnogo manjeg promjera u pukotinu vodovodne cijevi velikog promjera, kao rezultat toga će se protok vode naglo smanjiti. Nešto slično se dešava u lancu solarnih ćelija sa heterogenim izlaznim parametrima.

Silicijumske solarne ćelije su nelinearni uređaji i njihovo ponašanje se ne može opisati jednostavnom formulom kao što je Ohmov zakon. Umjesto toga, da biste objasnili karakteristike elementa, možete koristiti porodicu lako razumljivih krivulja - strujno-naponske karakteristike (CVC)

Napon otvorenog kola koji generiše jedan element neznatno varira od jednog elementa do drugog u istoj seriji i od jednog proizvođača do drugog i iznosi oko 0,6 V. Ova vrijednost ne ovisi o veličini elementa. Sa trenutnim je situacija drugačija. Zavisi od intenziteta svjetlosti i veličine elementa, što se odnosi na njegovu površinu.

Element veličine 100-100 mm je 100 puta veći od elementa veličine 10-10 mm i stoga će pod istim osvjetljenjem proizvesti struju 100 puta veću.

Učitavanjem elementa možete nacrtati zavisnost izlazne snage od napona, dobijajući nešto slično onome što je prikazano na slici 2.

Vršna snaga odgovara naponu od oko 0,47 V. Dakle, da bi se ispravno procijenio kvalitet solarne ćelije, kao i radi poređenja elemenata međusobno pod istim uslovima, potrebno je opteretiti tako da je izlazni napon jednak 0,47 V. Nakon što su solarni elementi odabrani za posao, potrebno ih je zalemiti. Serijski elementi su opremljeni strujnim mrežama koje su predviđene za lemljenje vodiča na njih.

Baterije se mogu rasporediti u bilo koju željenu kombinaciju. Najjednostavnija baterija je lanac elemenata povezanih u seriju. Lance možete povezati i paralelno, što rezultira takozvanom serijsko-paralelnom vezom.

Važna tačka u radu solarnih ćelija je njihov temperaturni režim. Kada se element zagreje za jedan stepen iznad 25°C, gubi 0,002 V napona, tj. 0,4%/stepen. Slika 3 prikazuje familiju strujno-naponskih karakterističnih krivulja za temperature od 25°C i 60°C.

Po vedrom sunčanom danu, elementi se zagrijavaju do 60-70°C, gubeći 0,07-0,09 V svaki. To je glavni razlog smanjenja efikasnosti solarnih ćelija, što dovodi do pada napona koji generira element. Efikasnost konvencionalne solarne ćelije trenutno se kreće od 10-16%. To znači da element veličine 100-100 mm u standardnim uvjetima može generirati 1-1,6 W.

Svi fotonaponski sistemi se mogu podijeliti u dva tipa: autonomni i povezani na električnu mrežu. Stanice drugog tipa ispuštaju višak energije u mrežu, koja služi kao rezerva u slučaju interne nestašice energije.

Autonomni sistem se uglavnom sastoji od skupa solarnih modula postavljenih na noseću konstrukciju ili na krovu, baterije, kontrolera punjenja/pražnjenja baterije i spojnih kablova. Solarni moduli su glavna komponenta za izgradnju fotonaponskih sistema. Mogu se proizvoditi sa bilo kojim izlaznim naponom.

Nakon što su solarne ćelije odabrane, potrebno ih je zalemiti. Serijski elementi su opremljeni strujnim mrežama za lemljenje provodnika na njih. Baterije se mogu izraditi u bilo kojoj kombinaciji.

Najjednostavnija baterija je lanac elemenata povezanih u seriju.

Ove lance možete povezati paralelno, dobijajući takozvanu serijsko-paralelnu vezu. Paralelno se mogu povezati samo lanci (vodovi) sa identičnim naponom, a njihove struje se zbrajaju prema Kirchhoffovom zakonu.

Za zemaljsku upotrebu, obično se koriste za punjenje baterija nominalnog napona od 12 V. U ovom slučaju, po pravilu, 36 solarnih ćelija se spaja u seriju i zatvara laminiranjem na staklo, PCB ili aluminij. Elementi se nalaze između dva sloja zaptivne folije, bez zračnog raspora. Tehnologija vakuumskog laminiranja omogućava vam da ispunite ovaj zahtjev. U slučaju zračnog razmaka između zaštitnog stakla i elementa, gubici refleksije i apsorpcije dostigli bi 20-30% u odnosu na 12% bez zračnog raspora.

Prikazani su električni parametri solarne ćelije kao i pojedinačne solarne ćelije u obliku strujno-naponske krive pod standardnim uslovima (Standard Test Conditions), odnosno sa sunčevim zračenjem od 1000 W/m2, temperatura - 25°C. i solarni spektar na geografskoj širini od 45° (AM1.5) .

Tačka presjeka krivulje sa osom napona naziva se napon praznog hoda - Uxx, tačka presjeka sa strujnom osom naziva se struja kratkog spoja Is.

Maksimalna snaga modula je definirana kao najveća snaga prema STC (Standard Test Conditions). Napon koji odgovara maksimalnoj snazi ​​naziva se maksimalni napon snage (radni napon - Up), a odgovarajuća struja se naziva struja maksimalne snage (radna struja - Ip).

Radni napon za modul koji se sastoji od 36 elemenata će tako biti oko 16...17 V (0,45...0,47 V po elementu) na 25o C.

Ova margina napona u odnosu na napon punog punjenja baterije (14,4 V) neophodna je kako bi se nadoknadili gubici u regulatoru punjenja-pražnjenja baterije (o čemu će biti riječi kasnije), a uglavnom - smanjenje radnog napona baterije. modul kada se modul zagreva zračenjem: temperaturni koeficijent za silicijum je oko minus 0,4%/stepen (0,002 V/stepen za jedan element).

Treba napomenuti da napon otvorenog kruga modula malo zavisi od osvjetljenja, dok je struja kratkog spoja, a samim tim i radna struja, direktno proporcionalna osvjetljenju.

Dakle, kada se zagrijavaju u stvarnim radnim uvjetima, moduli se zagrijavaju do temperature od 60-70°C, što odgovara pomaku tačke radnog napona, na primjer, za modul sa radnim naponom od 17 V - od 17 V do 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V po elementu).

Na osnovu svega navedenog potrebno je pristupiti proračunu broja serijski spojenih elemenata modula.Ukoliko je potrošaču potrebno da ima naizmjenični napon onda se ovome dodaje inverter-pretvarač jednosmjernog naizmjeničnog napona. komplet.

Proračun FES-a znači određivanje nazivne snage modula, njihovog broja, šeme povezivanja; izbor tipa, uslova rada i kapaciteta baterije; snaga pretvarača i kontrolera punjenja i pražnjenja; određivanje parametara priključnog kabla.

Prije svega, potrebno je odrediti ukupnu snagu svih potrošača koji su istovremeno priključeni. Snaga svakog od njih se mjeri u vatima i navedena je u tehničkim listovima proizvoda. U ovoj fazi već možete odabrati snagu pretvarača, koja ne bi trebala biti manja od 1,25 puta veća od izračunate. Treba imati na umu da takav lukavi uređaj kao što je kompresorski hladnjak u trenutku pokretanja troši snagu 7 puta više od nazivne snage.

Nominalni raspon invertera je 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Za moćne stanice (više od 1 kW), napon stanice je odabran najmanje 48 V, jer Na većim snagama, pretvarači rade bolje s višim početnim naponima.

Sljedeća faza je određivanje kapaciteta baterije. Kapacitet baterije se bira iz standardnog raspona kapaciteta, zaokruženih na stranu veću od izračunatog. A izračunati kapacitet se dobiva jednostavnim dijeljenjem ukupne snage potrošača umnoškom napona baterije i dubine pražnjenja baterije u frakcijama.

Na primjer, ako je ukupna snaga potrošača 1000 Wh dnevno, a dopuštena dubina pražnjenja baterije od 12 V iznosi 50%, tada će izračunati kapacitet biti:

1000 / (12 x 0,5) = 167 Ah

Prilikom izračunavanja kapaciteta baterije u potpuno autonomnom režimu potrebno je uzeti u obzir prisustvo oblačnih dana u prirodi tokom kojih baterija mora da obezbedi rad potrošačima.

Posljednja faza je određivanje ukupne snage i broja solarnih modula. Za proračun će biti potrebna vrijednost sunčevog zračenja, koja se uzima u periodu rada stanice, kada je sunčevo zračenje minimalno. U slučaju cjelogodišnje upotrebe, ovo je decembar.

Odjeljak „meteorologija“ daje mjesečne i ukupne godišnje vrijednosti sunčevog zračenja za glavne regije Rusije, kao i gradaciju prema različitim orijentacijama ravnine koja prima svjetlost.

Uzimajući odatle vrednost sunčevog zračenja za period koji nas zanima i podelivši je sa 1000, dobijamo takozvani broj piko-sati, odnosno uslovno vreme tokom kojeg sunce sija intenzitetom od 1000 W/ m2.

Na primjer, za geografsku širinu Moskve i mjesec jul, vrijednost sunčevog zračenja je 167 kWh/m2 kada je lokacija orijentirana na jug pod uglom od 40° prema horizontu. To znači da sunce u julu u proseku sija 167 sati (5,5 sati dnevno) sa intenzitetom od 1000 W/m2, iako maksimalno osvetljenje u podne na području orijentisanom okomito na svetlosni tok ne prelazi 700-750 W. /m2.

Modul snage Pw tokom odabranog perioda će generisati sljedeću količinu energije: W = k Pw E / 1000, gdje je E vrijednost insolacije za odabrani period, k-koeficijent jednak 0,5 ljeti i 0,7 zimi.

Ovaj koeficijent ispravlja gubitak snage solarnih ćelija pri zagrevanju na suncu, a takođe uzima u obzir nagnuti upad zraka na površinu modula tokom dana.

Razlika u njegovoj vrijednosti zimi i ljeti je zbog manjeg zagrijavanja elemenata zimi.

Na osnovu ukupne snage potrošene energije i gornje formule, lako je izračunati ukupnu snagu modula. A znajući to, jednostavno podijelimo sa snagom jednog modula, dobijamo broj modula.

Prilikom izrade solarne elektrane, preporuča se što je više moguće smanjiti snagu potrošača. Na primjer, koristite (ako je moguće) samo fluorescentne lampe kao iluminatore. Takve lampe, uz potrošnju od 5 puta manju, daju svjetlosni tok ekvivalentan svjetlosnom toku žarulje sa žarnom niti.

Za male PV sisteme, preporučljivo je instalirati njegove module na rotirajući nosač za optimalnu rotaciju u odnosu na upadne zrake. Ovo će povećati kapacitet stanice za 20-30%.

Malo o inverterima.

Invertori ili pretvarači jednosmjerne struje u naizmjeničnu struju dizajnirani su za kvalitetno napajanje različite opreme i uređaja u uvjetima odsustva ili lošeg kvaliteta mreže za napajanje naizmjeničnom strujom frekvencije 50 Hz i napona od 220 V, razne vanredne situacije itd.

Inverter je impulsni pretvarač jednosmerne struje napona 12 (24, 48, 60) V u naizmeničnu struju sa stabilizovanim naponom od 220 V sa frekvencijom od 50 Hz. Većina pretvarača ima STABILIZOVANI SINEUSOIDNI napon na izlazu, što im omogućava da se koriste za napajanje gotovo bilo koje opreme i uređaja.

Strukturno, pretvarač je napravljen u obliku stolne jedinice. Na prednjoj ploči pretvarača nalazi se prekidač za rad proizvoda i indikator rada pretvarača. Na stražnjoj ploči proizvoda nalaze se pinovi (terminali) za spajanje izvora istosmjerne struje, na primjer, baterija, igla za uzemljenje za kućište invertera, otvor sa nosačem ventilatora (hlađenje) i tropolna euro utičnica za povezivanje tereta.

Stabilizirani napon na izlazu pretvarača omogućava vam da osigurate visokokvalitetno napajanje za opterećenje kada se ulazni napon mijenja/fluktuira, na primjer, kada se baterija isprazni, ili fluktuacije struje koju troši opterećenje. Zajamčena galvanska izolacija izvora istosmjerne struje na ulazu i AC kruga s opterećenjem na izlazu pretvarača omogućava vam da ne poduzimate dodatne mjere kako biste osigurali sigurnost rada pri korištenju različitih izvora istosmjerne struje ili bilo koje električne opreme. Prisilno hlađenje energetskog dijela i nizak nivo buke tokom rada invertera omogućavaju, s jedne strane, da se osiguraju dobre težine i veličinskih karakteristika proizvoda, s druge strane, kod ovog tipa hlađenja ne stvaraju neugodnosti. tokom rada u vidu buke.

• Ugrađena kontrolna tabla sa elektronskim displejom
• Potenciometar kapaciteta koji omogućava precizna podešavanja
• Normalizovana traka sa pin spojem: WE WY STEROW
• Ugrađeno kočenje unazad
• Radijator sa ventilatorom
• Estetsko pričvršćivanje
• Napajanje 230 V - 400 V
• Preopterećenje 150% - 60s
• Vrijeme pojačanja 0,01...1000 sekundi
• Ugrađeni električni filter, klasa A
• Radna temperatura: -5°C - do +45°C
• RS 485 port
• Korak podešavanja frekvencije: 0,01 Hz - 1 kHz
• Klasa zaštite IP 20

Funkcionalno omogućava: povećanje, smanjenje frekvencije, kontrolu preopterećenja i pregrijavanja.