Freenergy.com


Солнечные батареи, основные виды

Солнечный элемент – это установка, преобразующая энергию солнечного света в электричество благодаря фотоэлектрическому эффекту.

Иногда термин «солнечный элемент» используется для установок, которые поглощают энергию из солнечного света. Такие установки называются «солнечными панелями», или «солнечными батареями».

В то время как термин «фотоэлектрический элемент» используют при неопределенном источнике света. Путем комбинирования элементов можно создать солнечные панели, солнечные модули и фотоэлектрические батареи.

 

Фотоэлектричество - это область технических наук, изучающая применение солнечных элементов в быту.

Термин "фотоэлектрических" происходит от греческого ???, что означает "свет", и "вольтовый", то есть электрический, от имени итальянского физика Вольта, в честь которого называется единица электродвижущейся силы, вольт. Термин "фотоэлектрических" используется в английском языке с 1849 года.

Впервые фотоэлектрический эффект был обнаружен французским физиком А. Беккерелем в 1839 году. Однако его не применяли до 1883 года, когда Карл Фритс создал первые солнечные элементы. Он покрыл полупроводниковый селен очень тонким слоем золота, образовав соединения. Но установка была эффективна лишь на 1%. Позже русский физик Александр Столетов сделал первый солнечный элемент, основанный на внешнем фотоэлектрическом эффекте (открытом Генрихом Герцем в начале 1887 года). Альберт Эйнштейн объяснил значение фотоэлектрического эффекта в 1905 году, за что и получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году. Рассел Оль запатентовал современное соединение полупроводникового солнечного элемента в 1946 году. Оно было обнаружено во время работы над серией открытий, которые, в конечном счете, и приведут к созданию транзистора. Обычно солнечные элементы электрически связаны и герметичны как модуль. Фотоэлектрические модули имеют листовое стекло на передней части, позволяющее проходить свету, при этом полупроводниковые пластины защищают от дождя, града и т.д. Часто солнечные элементы соединены в ряд модулей, создающих дополнительное напряжение. Подключение элементов параллельно дает более высокий ток. Таким образом, модули могут быть взаимосвязаны последовательно или/и параллельно, чтобы создать батарею с желаемым максимальным напряжением и током. Мощность солнечных батарей измеряется в ваттах или киловаттах. Это удобно для того, чтобы рассчитать обычные энергетические потребности, измерения в Вт-ч, кВт.ч или кВт в день часто используется. Общее практическое правило заключается в том, что средняя мощность равна 20% пиковой мощности, так что каждый киловатт-пик выходной энергии в солнечной батареи, соответствует такой выработки энергии: 4,8 кВт-ч в день (24 часа х 1 кВт х 20% = 4,8 кВт / ч). Вырабатываемая солнечная энергия, или электроэнергия чаще всего подается в электросеть благодаря инверторам (фотоэлектрическим системам, соединённых с электросетью), а автономные системы, аккумуляторные батареи используются для хранения энергии. Также солнечные элементы могут применяться в других электронных устройствах, чтобы сделать их энергонезависимыми. Существуют солнечные зарядные устройства для мобильных телефонов, солнечные велосипедные фонари и солнечные фонарики для кемпинга, которые применяются в быту.

Сравнение эффективности преобразования энергии

Эффективность преобразования энергии определяется делением электроэнергии производимой в элементе на мощность источника света падающего на этот элемент. Существует множество факторов, которые влияют на электрическую выходную мощность, включая спектральное распределение, пространственное распределение мощности, температуру, резистивную нагрузку применяемые к элементу. Используется стандарт МЭК 61215 для сравнения производительности элементов и этот стандарт создается вокруг земных, умеренных условий. Стандартная температура и условия (СТУ): излучение от 1 kW/m2, спектральное распределение близко к солнечной радиации МВ (масса воздуха)1,5 и температура элемента 25 ° C. Резистивная нагрузка варьируется до пика или достигается точка максимальной мощности. Мощность, на этой стадии, записывается как максимальная мощность (ММ). Такой же стандарт используется для измерения мощности и эффективности фотоэлектрических модулей, Воздушные массы имеют влияние на выходную мощность. В пространстве, где нет атмосферы, спектр солнца относительно нефильтрованный. Однако, на земле, где с воздухом фильтруется падающий свет, солнечный спектр меняется. Для подсчета спектральных различий, была разработана система, которая вычисляет этот фильтрующий эффект.

Обычно, фильтрующий эффект варьируется от массы воздуха 0 (0 МВ) в пространстве, приблизительно до 1,5 МВ на Земле. Умножая спектральные различия на квантовую эффективность солнечного элемента, получим эффективность установки. Например, кремниевый солнечный элемент в пространстве, может иметь эффективность 14% при 0 МВ, но при этом иметь эффективность 16% на земле при 1.5 МВ. То есть эффективность при наземных условиях, как правило, больше, чем при космических. Эффективность солнечного элемента варьируется от 6% для аморфных кремниевых солнечных элементов до 40,7% с многопереходными элементами и 42,8% с множеством слоев собранных в гибридную интегральную схему.

Эффективность преобразования энергии для коммерчески доступных поликристаллических кремниевых солнечных элементов составляет около 14-19%. Высокая эффективность элементов - это не всегда экономично. Например, 30% эффективный многопереходной элемент на основе необычных материалов, таких как галлий арсенид, или селенид индия, который производится мелкосерийно, может стоить в 100 раз дороже, чем 8% эффективный аморфный кремниевый элемент массового производства, в то время как выработка электроэнергии только в 4 раза быстрее. Однако существует способ "повышения" солнечной энергии. При увеличении интенсивности света, как правило, фотогенерированные носители возрастают, что приводит к повышению эффективности до 15%. Эти так называемые "системы-концентраторы" только начали становиться конкурентоспособным, как результат развития высокоэффективных солнечных элементов на основе аренид галлия.

Увеличение интенсивности, как правило, осуществляется с помощью концентрации оптики. Типичная система-концентратор может использовать интенсивность света в 6-400 раз больше солнца, а также повысить эффективность одного солнечного элемента на основе аренид галлия от 31% при 1,5 МВ до 35%.

Распространенный метод, используемый для подсчета экономической стоимости электрогенерирующих систем - это подсчет цены за доставленный киловатт в час (кВт / ч). Эффективность солнечного элемента в сочетании с имеющимся солнечным излучением имеет большое влияние на стоимость, но, вообще говоря, важен общий КПД системы. Использование имеющихся на рынке солнечных элементов (2006 г.) и системотехники привело к повышению КПД системы от 5 до 19%. Так в 2005 году на генерирование энергии с помощью фотоэлектричества шло от ~ 0,60 долл. США / кВт-ч (0,50 € / кВт-ч) (Центральная Европа) до ~ 0,30 долл. США / кВт-ч (0,25 € / кВт-ч) в регионах с высоким солнечным излучением. Это электричество, как правило, подается в электросеть со стороны заказчика счетчика. Стоимость можно сравнить с преобладающей розничной ценой за электричество (2005г.), которая колебалась от 0,04 до 0,50 долл. США / кВт-ч во всем мире. (Примечание: в дополнение к профилям солнечного излучения, эти затраты/кВт-ч и расчеты будут варьироваться в зависимости от допущенного срока эксплуатации системы. Большинство с-Si панелей имеют гарантию на 25 лет и должны служить 35 лет).

Солнечные элементы и окупаемость энергетических затрат

В 90-х годах, когда кремневые элементы были в два раза толще, эффективность была намного ниже, чем сегодня, и срок эксплуатации был короче. Таким образом, затрачивалось больше энергии на производство самого элемента, чем он мог бы вырабатывать на протяжении своего срока эксплуатации. В то же время, наблюдается значительное прогрессирование технологий. Время окупаемости энергетических затрат, которое определяется как время восстановления, необходимое для преобразования энергии, затрачиваемой на производство соответствующих энергетических систем, современного фотоэлектрического модуля – составляет от 1 до 4 лет, в зависимости от типа модуля и местоположение. Как правило, тонкопленочные технологии, несмотря на сравнительно низкую преобразовательную эффективность, быстрее достигают окупаемости энергетических затрат, чем обычные системы (часто за 1 год), с обычным сроком эксплуатации от 20 до 30 лет. Это означает, что современные солнечные элементы являются производителями чистой энергии, т. е. они генерируют значительно больше энергии за срок эксплуатации, чем энергии, которая тратится для их производства.

Высокоэффективные элементы

Высокоэффективные солнечные элементы являются классом солнечных элементов, которые могут генерировать больше электроэнергии за единицу солнечной энергии (Вт / Вт). Большая часть промышленности сосредоточена на наиболее экономически эффективных технологиях с точки зрения затрат на генерируемую мощность. Две основные стратегии для снижения стоимости фотоэлектричества - это повышение эффективности элементов и снижение их стоимости на единицу площади. Однако повышение эффективности солнечного элемента без снижения общей стоимости за киловатт в час является менее экономично, так как солнечный свет бесплатный. Так, или иначе "эффективность" вопроса, зависит от того, определяется ли "стоимость" как стоимость за единицу падения солнечных лучей на элемент, либо как стоимость за единицу площади, или за единицу веса элемента, или за единицу производимой элементом энергией.

В ситуациях, где имеется много затрат на производство солнечной системы (при условии если солнечная система – это по сути дела "плательщик" за солнечный свет), то задача повышения эффективности фотоэлектрических установок представляет большой интерес как с научной, так и экономической точки зрения. Многие научные группы опубликовали работы, в которых утверждают возможность высокой эффективности, после проведения оптических измерений в рамках многих допустимых условий. Эффективность должна измеряться в реальных условиях и основные параметры, которые должны быть оценены - это ток короткого замыкания (КЗ) и напряжения холостого хода.

Тонкопленочные солнечные элементы

В 2002 году самая высокая зарегистрированная эффективность для тонкопленочных солнечных элементов на основе теллурид кадмия составляла 18%, которая была достигнута на основе исследований в университете г. Шеффилд; хотя это и не было подтверждено при внешнем испытании. Американский национальный научно-исследовательский центр NREL достиг эффективности 19,9% для солнечных элементов на основе меди галлия, индия, селенида тонких пленок, также известных как CIGS. Позже NREL разработал робота, умеющего строить и анализировать эффективность тонкопленочных солнечных элементов с целью повышения эффективности путем тестирования элементов в различных ситуациях. Эти CIGS пленки были выращены путем трехэтапного физического осаждения паровой фазы совместно с испарительным процессом. В этом процессе индий, галлий и селен испаряются на первом этапе; на втором этапе - медь и селен совместного испарения и на последнем этапе – индий, галлий и селен испаряются снова. Тонкопленочные солнечные элементы имеют приблизительно 15% доли на рынке; другие - на основе кристаллического кремния - 85 %. Большая часть промышленного производства тонкопленочной солнечной энергии является на основе теллурид кадмия, с эффективностью 11%. По состоянию на 28 апреля 2010 года в Штутгарте ZSW было опубликовано заявление гласившее, что они создали тонкопленочные CIGS элементы с новой рекордной эффективностью - 20,1% .

Кристаллический кремний

Самая высокая эффективность на основе кремния была достигнута монокристаллическими элементами. Самый высокий экономический КПД (22%) вырабатывается солнечной энергией тогда, когда используются дорогие, высококачественные кремниевые пластины. Университет Нового Южного Уэльса, достиг 25% эффективности от монокристаллического кремния в лабораторных условиях. Эта технология стала коммерческой благодаря своим партнерским отношениям с Suntech Power. Установки на основе кристаллического кремния приближаются к теоретически предельному КПД от 29% и достигают возмещение энергетических затрат за 1-2 года.

 

Комментарии  

 
0 #1 profile 02.11.2018 15:42
Need cheap hosting? Try webhosting1st, just $10 for an year.

Цитировать
 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить