ООО "EnergoGrand" / Солнечные батареи / Общая информация

Главная >> Солнечные батареи >> Общая информация

Солнечные батареи. Общая информация

Солнечная батарея — один из генераторов альтернативных видов энергии, превращающих солнечное электромагнитное излучение в электричество. Является объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Helios — солнце). Производство солнечных батарей развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях.

Версия для печати

Содержание

Виды солнечных батарей
КПД фотоэлементов и модулей
Срок окупаемости энергетической системы
Физический принцип работы солнечных батарей
Фотоэлементы для промышленного назначения

1. Виды солнечных батарей

Фотоэлектрические преобразователи — Полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество (Солнечные элементы). Несколько объединённых СЭ называются солнечной батареей.
Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
Солнечные коллекторы (СК). Солнечные нагревательные низкотемпературные установки.
Органические батареи. Устройства преобразующее солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником.

2. КПД фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на квадратный метр, без учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 ватт. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с КПД 9-24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долл. за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. Ожидается, что к 2010 году себестоимость снизится до 0,15 долл.

В отдельных лабораториях получены солнечные элементы с КПД 44 %. Специалисты компании Boeing-Spectrolab, дочернего предприятия авиаконцерна Boeing, разработали солнечную батарею, которая преобразует 40,7% получаемого солнечного света в электроэнергию. Мировой рекорд по эффективности солнечной батареи подтвердили в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США. У самых распространенных и доступных в настоящее время солнечных батарей эффективность составляет лишь 13-22% В 2007 году появилась информация, о изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться в виду своей высокой себестоимости, над этой проблемой и работают многие учёные.

3. Срок окупаемости энергетической системы

Срок окупаемости энергетической системы зависит от следующих показателей:

стоимость подвода линии электропередачи к Вашему объекту,
цены на электроэнергию в сети,
цены на электроэнергию отдаваемую в сеть,
количества солнечных дней и интенсивности светового потока на месте инсталляции системы,
наличия субсидий, кредитирования, финансовой поддержки со стороны государства.

В Украине по состоянию на 01.01.09 срок окупаемости системы составляет не менее 20лет. Поэтому построение энергетической системы будет эффективно в случаях высоких затрат на подсоединение объекта к общественной сети или ее нестабильной работы.

4. Физический принцип работы солнечных батарей

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
внутренним сопротивлением преобразователя,
и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад...

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

5. Фотоэлементы для промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;
высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затраты на создание системы преобразования;
минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.