Солнечные батареи и их основные виды

Солнечные батареи позволяют преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Возможным становится такое на основе фотоэлектрического эффекта. Основные конструктивные детали солнечных батарей – солнечные элементы, комбинацией которых и получаются солнечные батареи или солнечные панели.

Солнечные элементы являются, по сути, одним из видов фотоэлектрических элементов, использующих любые источники света. Солнечные элементы получили в настоящее время настолько широкое распространение, что возникла даже специальная область техники, изучающая их применение – фотоэлектричество.

История создания солнечных батарей

Фотоэлектрический эффект был открыт французским физиком А. Беккерелем в 1839 году, но первые солнечные элементы были созданы только в 1883 году.

В 1887 году немецкий физик Генрих Герц открыл явление внешнего фотоэффекта, освещая шары электрического разрядника ультрафиолетовым излучением. При освещении разряд между шарами усиливался. Феномен фотоэффекта был объяснен лишь в 1905 году физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном, за что он был удостоен в 1921 году Нобелевской премии.

Эйнштейн, развивая квантовую гипотезу немецкого физика Макса Планка, предположил, что электромагнитное излучение распространяется в пространстве и поглощается порциями – световыми квантами (фотонами), и для возникновения фотоэффекта важна не столько интенсивность падающего света, а то, хватает ли световому кванту энергии для того, чтобы выбить электрон из вещества. Теория Эйнштейна полностью объяснила все имеющиеся экспериментальные данные.

Первый солнечный элемент был создан после открытия фотоэффекта русским физиком Александром Столетовым. Первые фотоэлементы на основе закиси меди, преобразующие световое излучение в электрический ток, были разработаны еще в 1926 году. Полупроводниковые солнечные элементы на основе селена создал Карл Фитс, но эти элементы обладали очень низким коэффициентом полезного действия (КПД), порядка 1%, и обладали очень низкой отдачей – на каждый люмен падающего на них светового потока они выдавали ток лишь в несколько десятых долей миллиампера.

Солнечные элементы современного типа на основе кремниевых полупроводников были запатентованы в 1946 году американским инженером Расселом Олем. Первые кремниевые солнечные батареи были созданы в 1954 году специалистами компании Bell Laboratories, а уже в 1958 году спутники с солнечными батареями были запущены в США (в марте) и в СССР (в мае).

Характеристики солнечных батарей

Отдельные солнечные элементы обычно дают на выходе небольшие напряжения (0,6 В для кремниевых элементов) и невысокий ток. При увеличении светового потока, падающего на солнечный элемент, его напряжение возрастает, но лишь до определенного предела, поскольку общая зависимость нелинейная.

Батарея работает наиболее эффективно лишь при определенном (оптимальном) сопротивлении нагрузки. Оптимальность нагрузки обеспечивается включенным между батареей и нагрузкой специальным контроллером.

Для повышения отдаваемого напряжения батареи элементы соединяют последовательно, а для повышения тока нагрузки параллельно. Так, для заряда автомобильного аккумулятора нужна солнечная батарея из 36 соединенных последовательно солнечных элементов. Ток заряда регулируется также электронным контроллером.

Соединяемые в батарею элементы располагают на подложке, а со стороны излучения закрывают прозрачным листовым стеклом для защиты от воздействия внешней среды (дождя, града и пр.).

Основные параметры, характеризующие эффективность солнечного элемента – это напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Одной из важных характеристик солнечной батареи является их мощность, измеряемая в ваттах или киловаттах. Поскольку солнечное освещение меняется в течение дня, а ночью отсутствует, принято считать, что солнечная батарея обеспечивает в среднем 20% от пиковой мощности. Исходя из этого практического правила, каждый киловатт выходной мощности позволяет выработать за сутки 4,8 кВт-ч энергии.

Спектральный состав падающего на солнечный элемент излучения определяется свойствами атмосферы. Для учета фильтрующих свойств атмосферы вводится понятие массы воздуха (МВ). Для открытого космоса МВ = 0, на Земле МВ = 1,5. На входе в атмосферу Земли мощность солнечного излучения составляет 1366 Вт/м2, а в облачную погоду на земле мощность может упасть ниже 100 Вт/м2, т.е. более чем в 10 раз, и в пасмурную погоду мощность световых батарей может упасть в 15-20 раз. Однако уже разработаны фотоэлементы, способные преобразовывать в электрический ток инфракрасное излучение Солнца.

Солнечная батарея вырабатывает постоянный ток низкого напряжения, и, чтобы подавать вырабатываемую энергию в стандартную электрическую сеть переменного тока, батарея подключается к сети через инвертор.

Чтобы сделать систему электроснабжения на основе солнечных батарей независимой от временных перебоев в выработке электроэнергии (ночью, при непогоде), в системе предусмотрены накопители электрической энергии – аккумуляторы, подзаряжаемые при избытке вырабатываемой солнечными батареями мощности, и отдающие заряд при ее нехватке.

Опасным для солнечной батареи является частичное затемнение батареи – неосвещенные элементы начинают работать не как источник энергии, а как паразитная нагрузка. Для исключения подобного каждый элемент батареи шунтируется полупроводниковым диодом (байпасом).

Солнечные панели долговечны, они рассчитаны на срок эксплуатации в 35 лет, и на них обычно дается гарантия 25 лет. Цена солнечной батареи составляет усреднено от 1 до 3 долларов США за каждый ватт ее электрической мощности.

Важным показателем экономической эффективности солнечных элементов является стоимость выработки одного киловатт-часа. Ориентировочная стоимость 1 кВт-ч колеблется в пределах 0,30-0,60 долларов США в зависимости от региона установки солнечной системы и действующих там условий солнечного облучения, однако стоимость выработки электроэнергии солнечными батареями непрерывно снижается, и по прогнозу к 2020 году она упадет до 0,15-0,20 доллара за 1 кВт-ч.

Если подытожить недостатки солнечных батарей, то они сведутся к следующему:

• требуют для установки больших площадей;
• отдача батарей неравномерная по часам дня, ночью отдача полностью прекращается;
• элементы содержат ядовитые вещества (кадмий, свинец, мышьяк, галлий и пр.);
• солнечные батареи сильно нагреваются в процессе работы, КПД батарей падает при их нагреве.

Виды солнечных элементов

По технологии изготовления солнечные элементы подразделяются на 4 вида:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• тонкопленочные;
• гибридные.

Монокристаллические элементы изготавливаются из монокристаллов кремния очень высокой частоты, и их эксплуатационные характеристики более высокие, чем у поликристаллических элементов. Углы солнечных элементов подобного типа скошены, что придает монокристаллическим солнечным батареям вид пчелиных сот. Сверху элементы покрывают антиотражающим материалом ярко-синего цвета.

Поликристаллические элементы изготавливаются из поликристаллов кремния, более дешевых, чем монокристаллы, что удешевляет солнечные элементы подобного вида. Дешевизна элементов определяется тем, что затраты энергии на их изготовление малы, а заготовка не представляет собой единого кристалла, требующего особых условия выращивания, а является неоднородной, т.е. состоит из большого количества кристалликов со случайной ориентацией осей. Поверхность ячеек черная и выглядит неоднородной, ячейки обычно квадратной формы.

Тонкопленочные элементы, или «гибкие панели», производятся вакуумным напылением аморфного кремния слоем не толще 1 мкм на гибкую подложку. Тонкопленочные элементы наиболее дешевые из всех типов элементов. Возможно напыление и других полупроводниковых материалов, например, теллурида кадмия или селенида меди-индия. Сверху напыление покрывается защитной пленкой.

Гибридные элементы называются так оттого, что поверх кристаллического полупроводникового материала наносится тонкий слой аморфного полупроводника. Высокая эффективность гибридных элементов основана на том, что входящие в их состав аморфный кремний и кристаллический кремний отличаются по своей спектральной чувствительности, и при освещении солнечным светом широкого спектрального состава общий КПД батареи повышается.

Сравнительно недавно были изобретены полимерные солнечные панели. Активными элементами этих панелей служат тонкие полимерные пленки (например, из фенилена) толщиной около 100 нм. Эти панели дешевы, но обладают низким КПД (порядка 5%).

Сравнение солнечных элементов по их коэффициенту полезного действия

КПД солнечного элемента – это отношение выработанной элементом электрической энергии к энергии падающего на элемент света. Электрическая мощность солнечного элемента зависит от спектрального состава падающего излучения, температуры среды, вида подключенной к элементу нагрузки.

Для сравнения характеристик разных элементов разработан стандарт МЭК 61215. Стандарт предполагает измерение характеристик вблизи поверхности Земли, при температуре 25 °С, спектре излучения близкому к солнечному, и мощности излучения выше 1 кВт/м². Нагрузка элемента резистивная из условия достижения максимальной мощности.

КПД солнечного элемента составляет от 6% для аморфных элементов на основе кремния, до 41-43% для элементов особой гибридной конструкции. У наиболее массовых образцов поликристаллических солнечных элементов КПД составляет 14-19%.

Самый высокий КПД среди кремниевых элементов обеспечивается монокристаллическими элементами и достигает 22%, что близко к теоретически предельному 29%. Такая эффективность обеспечивает полное возмещение энергозатрат на производство элементов за 1-2 года.

КПД солнечных батарей возрастает до 15% при использовании солнечных концентраторов, повышающих интенсивность падающего света посредством оптики. Главный узел концентраторов – механический модуль, поворачивающий оптическую систему (линзы) в сторону солнца. Типичный концентратор повышает интенсивность света в 6-400 раз. Особо эффективны эти установки в местностях, где большую часть дня солнце не скрыто за облаками. В облачную погоду концентраторы становятся неэффективными, поскольку линзы перестают концентрировать излучение.

Высокий КПД элемента не всегда экономически выгоден, если, например, повышение КПД в 4 раза обеспечивается удорожанием производства элементов в 100 раз.

Важной характеристикой солнечного элемента является время окупаемости энерогозатрат, или время восстановления – это время, за которое фотоэлектрический модуль выработает количество энергии, затраченной на его производство. Для современных модулей это время составляет от 1 до 4 лет. В 90-е годы КПД элементов был значительно ниже КПД современных элементов (что определялось технологией производства элементов), срок эксплуатации элементов также был невысок, и время восстановления было велико. Современные элементы на основе тонкопленочных технологий окупаются очень быстро, обычно за 1 год, при этом работать они в состоянии 20-30 лет.

Использование солнечных батарей

Солнечные батареи на основе кремния питают электронную аппаратуру космических станций, автоматических метеостанций, бакенов и пр. На Земле использование солнечных батарей наиболее эффективно в регионах Земли с большим числом часов солнечного сияния, в тропических и субтропических районах. Размещаются подобные батареи обычно на крышах домов. Есть и противники использования солнечных батарей, на том основании, что они закрывают ландшафт.

Существуют планы встраивать ударо- и термостойкие солнечные панели в автодороги, а велодорожки с солнечными батареями уже существуют. На километровый участок автомобильной дороги требуется несколько тысяч солнечных панелей, и вырабатывать такой участок будет за год несколько сотен мегаватт энергии, при цене участка 5 миллионов евро.

Встраиваемые в электронные устройства солнечные элементы позволяют сделать их энергонезависимыми. Такие мини-батареи применяются в мобильных телефонах, калькуляторах, велосипедных фарах, туристических фонариках.

Сфера применения солнечных батарей непрерывно расширяется. Так, уже есть примеры использования их в медицине для питания имплантированных кардиостимуляторов, при этом питающая кардиостимулятор солнечная батарея вживляется под кожу человека.

Популярное: Солнечные панели | Солнечные батареи