Сонячні батареї та їх основні види

ОБЛАДНАННЯ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ВИКОРИСТАННЯ АЛЬТЕРНАТИВНИХ ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГІЇ. ПРОДАЖ, ВСТАНОВЛЕННЯ ТА ОБСЛУГОВУВАННЯ.
Сонячні батареї та їх основні види

 Сонячні батареї дозволяють конвертувати сонячну енергію в електричну. Можливим це стає на основі фотоелектричного ефекту. Основні конструктивні деталі сонячних батарей - сонячні елементи, комбінацією яких і отримуються сонячні батареї або сонячні панелі.

Сонячні елементи являються, насправді, одним із видів фотоелектричних елементів, які використовують будь-які джерела світла. Сонячні елементи отримали в даний час настільки широке поширення, що виникла навіть спеціальна область техніки, вивчаюча їх застосування - фотоелектрика.

Історія створення сонячних батарей

Фотоелектричний ефект був відкритий французьким фізиком А. Беккерелем в 1839 році, але перші сонячні елементи були створені тільки в 1883 році.

У 1887 році німецький фізик Генріх Герц виявив феномен зовнішнього фотоефекту, освітлюючи кулі електричного розрядника ультрафіолетовим випромінюванням. При освітленні розряд між кулями активізувався. Явище фотоефекту було пояснено тільки в 1905 році фізиком-теоретиком Альбертом Ейнштейном, за що він був нагороджений в 1921 році Нобелівською премією.

Ейнштейн, розвиваючи квантову гіпотезу німецького фізика Макса Планка, передбачив, що електромагнітне випромінення розповсюджується в просторі і поглинається порціями -світловими квантами (фотонами), і для виникнення фотоефекту важлива не стільки інтенсивність падаючого світла, а те, чи достатньо світловому кванту енергії для того, щоб вибити електрон з речовини. Теорія Ейнштейна повністю пояснила всі доступні експериментальні дані.

Перший сонячний елемент був створений після відкриття фотоефекту російським фізиком Олександром Столетовим. Перші фотоелементи на основі оксиду міді, перетворюючи світлове випромінювання в електричний струм, були розроблені в 1926 році. Напівпровідникові сонячні елементи на основі селену створив Карл Фітц, але ці елементи мали дуже низький коефіцієнт корисної дії (ККД), близько 1%, і мали дуже низьку віддачу -на кожен люмен падаючого на них світлового потоку вони видавали струм лише декілька десятих частин міліампера.

Сонячні елементи сучасного типу на основі кремнієвих напівпровідників були запатентовані в 1946 році американським інженером Расселом Олем. Перші кремнієві сонячні батареї були створені в 1954 році фахівцями компанії Bell Laboratories, а вже в 1958 році супутники з сонячними батареями були запущені в США (в березні) і в СРСР (у травні).

Характеристика сонячних батарей

Окремі сонячні елементи зазвичай дають вихід малих напруг (0,6 В кремнієвих елементах) і низький струм. При збільшені світлового потоку, падаючого на сонячний елемент, його напруга збільшується, але тільки до певної межі, тому що загальна залежність нелінійна.

Батарея працює найбільш ефективно тільки при певному (оптимальному) опорі навантаження. Оптимальне навантаження забезпечується включеним між батареєю і навантаженням спеціальним контролером.

Для підвищення віддачі напруги батареї елементи з'єднуються послідовно, а для підвищення струму навантаження паралельно. Наприклад, для заряду автомобільного акумулятору необхідна сонячна батарея із 36 з'єднаних послідовно сонячних елементів. Струм заряду регулюється також електронним контролером.

Об'єднані в батарею елементи розміщують на підкладці, а з боку випромінювання закривають прозорим листовим склом для захисту від впливу зовнішнього середовища (дощу, граду і т. д.).

Основні параметри, що характеризують ефективність сонячного елемента – це напруга холостого ходу і струм короткого замикання. Однією з важливих характеристик сонячної батареї є її потужність, вимірюється в ватах або кіловатах. Оскільки сонячне освітлення змінюється протягом дня, а вночі відсутнє, передбачається, що сонячна батарея забезпечує в середньому 20% від піку потужності. Виходячи з цього практичного правила, кожен кіловат вихідної потужності дозволяє виробити за добу 4-8 кВт-год енергії.

Спектральний склад падаючого на сонячний елемент випромінення визначається властивостями атмосфери. Для обліку фільтруючих властивостей атмосфери вводиться поняття маси повітря (МП). Для відкритого космосу МП = 0, на землі МП = 1,5. На вході в атмосферу Землі потужність сонячного випромінювання становить 1366 Вт/м2, а в похмуру погоду на землі потужність може впасти нижче 100 Вт/м2, тобто більше в 10 разів, а в похмуру погоду потужність світових батарей може впасти в 15-20 разів. Тим не менш, вже розроблені фотоелементи, здатні до перетворення в електричний струм інфрачервоне випромінювання сонця.

Сонячна батарея виробляє постійний струм низької напруги, і щоб постачати вироблену енергію в стандартну енергомережу змінного струму, батарея підключається до електромережі через інвертор.

Для того, щоб створити систему енергопостачання на основі сонячних батарей незалежною від тимчасових перебоїв в виробленні електроенергії (вночі, при непогоді), в системі передбачені накопичувачі електричної енергії – акумулятори які підзаряджаються при надлишково виробленій потужності сонячними батареями, і віддаючи заряд коли його не вистачає.

Небезпечно для сонячної батареї часткове затемнення батареї - неосвітлені елементи починають працювати не як джерело енергії, але як паразитне навантаження. Для усунення цього кожен елемент батареї шунтується напівпровідниковим діодом (бойпасом).

Сонячні панелі довговічні, вони розраховані на термін служби в 35 років, і на них як правило, дають гарантію 25 років. Ціна сонячної батареї усереднена від 1 до 3 доларів США за кожний ват його електричної потужності.

Важливим показником економічної ефективності сонячних елементів є вартість виробництва однієї кіловат-години. Приблизна вартість 1 кВт/год коливається в межах від 0,30-0,60 доларів США в залежності від регіону встановлення сонячної системи та діючих там умов сонячного опромінення, але вартість генерації електроенергії сонячними батареями постійно знижується, та за прогнозом до 2020 року вона впаде до 0,15-0,20 долара за кВт-г.

Якщо підсумовувати недоліки сонячних батарей, то вони будуть скорочені до наступного:

  • вимагають для встановлення великих площ;
  • віддача батарей нерівномірна за годинами доби, вночі віддача повністю припиняється;
  • елементи містять отруйні речовини (кадмій, свинець, миш'як, галій і т. д.);
  • сонячні батареї дуже нагріваються в процесі роботи, ККД батарей зменшується при їх нагріванні.

Види сонячних елементів

За технологією виготовлення сонячних елементів підрозділяються на 4 види:

  • монокристалічні;
  • полікристалічні;
  • тонкоплівкові;
  • гібридні.

Монокристалічні елементи виготовляються з монокристалів кремнію дуже високої частоти, а їх експлуатаційні характеристики вищі, ніж у полікристалічних елементів. Кути сонячних елементів цього типу округлені, що надає монокристалічним сонячним батареям вигляду бджолиної соти. Зверху елементи покривають анти відбиваючим матеріалом яскраво-блакитного кольору.

Полікристалічні елементи виготовляються з полікристалів кремнію, більш дешевшого ніж монокристали, що знижує вартість сонячних елементів такого виду. Дешевизна елементів визначається тим, що витрати енергії на їх виробництво невеликі, а заготовка не є єдиним кристалом, який вимагає особливих умов вирощування, а  являється неоднорідним, тобто складається з великої кількості кристалів з випадковою орієнтацією осі. Поверхня клітин чорна і виглядає неоднорідною, клітини, як правило, квадратної форми.

Тонкоплівкові елементи або «гнучкі панелі» виготовляються вакуумними напиленням аморфного кремнію шаром не товстіше 1 мкм на гнучку підкладку. Тонкоплівкові елементи є найдешевшими з усіх типів елементів. Можливе напилення і інших напівпровідникових матеріалів, наприклад, телуріда кадмія або селенида міді-індія. Зверху напилення покривається захисною плівкою.

Гібридні елементи називаються так тому, що зверху кристалічного напівпровідникового матеріалу наноситься тонкий шар аморфного напівпровідника. Висока ефективність гібридних елементів ґрунтується на тому, що складові їх аморфний кремній і кристалічний кремній відрізняються за своєю спектральною чутливістю, та при освітленні сонячним світлом широкого спектрального складу загальний ККД батареї підвищується.

Порівняно недавно, були винайдені полімерні сонячні панелі. Активними елементами цих панелей слугують тонкі полімерні плівки (наприклад з фенілена) товщиною близько 100 Нм. Ці панелі дешеві, але мають низький ККД (близько 5%).

Порівняння сонячних елементів за їх коефіцієнтом корисної дії

ККД сонячного елемента - це відношення виробленої елементом електричної енергії до енергії падаючого на елемент світла. Електрична потужність сонячного елементу залежить від спектрального складу падаючого випромінювання, температури середовища, виду підключеного до елементу навантаження.

Для порівняння характеристик різних елементів був розроблений стандарт МЕК 61215. Стандарт передбачає вимірювання характеристик біля поверхні землі, при температурі 25 ° С, спектру випромінення близького до сонячного, і потужності випромінювання понад 1 кВт/М2. Навантаження елементу резистивне за умови досягнення максимальної потужності.

ККД сонячного елемента складає від 6% для аморфних елементів на основі кремнію, до 41-43% для елементів спеціальної гібридної конструкції. У більшості масових зразків полікристалічних сонячних елементів ККД становить 14-19%.

Найвищий ККД серед кремнієвих елементів забезпечується монокристалічними елементами і досягає 22%, що близька до теоретичної межі 29%. Така ефективність забезпечує повне повернення енерговитрат на виробництво елементів за 1-2 роки.

ККД сонячних батарей збільшується до 15% при використанні сонячних концентраторів, які збільшують інтенсивність падаючого світла через оптику. Основним вузлом концентраторів є механічний модуль, який обертає оптичну систему (об'єктив) в сторону сонця. Типовий концентратор збільшує інтенсивність світла в 6-400 разів. Особливо ефективні ці установки в місцевостях, де протягом більшої частини дня сонце не ховається за хмарами. У хмарну погоду концентратори стають неефективними, оскільки лінзи перестають концентрувати випромінювання.

Високий ККД елементу не завжди є економічно вигідний, якщо, наприклад, підвищення ККД в 4 рази забезпечується удорожчанням виробництва елементів в 100 разів.

Важливою характеристикою сонячного елемента є час окупності енерговитрат, або час відновлення -  це час, за який фотоелектричний модуль виробить кількість енергії, витраченої на його виробництво. Для сучасних модулів цей час складає від 1 до 4 років. У 90-х роках, ККД елементів був значно нижчим, ніж ККД сучасних елементів (що визначалось технологією виробництва елементів), термін експлуатації елементів також був невисоким, і час відновлення був великий. Сучасні елементи на основі тонкоплівкових технологій окуповуються дуже швидко, як правило за 1 рік, в той же час працювати вони здатні 20-30 років.

Використання сонячних батарей

Сонячні батареї на основі кремнію живлять електронне обладнання космічних станцій, автоматичних метеостанцій і т. д. На землі використання сонячних батарей є найбільш ефективним в регіонах землі з великою кількістю годин сонячного сяйва, в тропічних і субтропічних районах. Розміщують подібні батареї зазвичай на дахах будинків. Є також і противники використання сонячних батарей на тій підставі, що вони закривають ландшафт.

Існують плани вбудовувати вдаро- і жаростійкі сонячні панелі в автодороги, а велосипедні доріжки з сонячними батареями вже існують. На кілометрову ділянку автомобільної дороги необхідно кілька тисяч сонячних панелей, і виробляти така ділянка буде за рік кілька сотень мегават енергії, при ціні ділянки 5 мільйонів євро.

Вбудовані в електронні пристрої сонячні елементи дозволяють зробити їх енергетично незалежними. Такі міні-батареї використовуються в мобільних телефонах, калькуляторах, велосипедних фарах, туристичних ліхтарях.

Сфера застосування сонячних батарей постійно розширюється. Так, вже існують приклади їх використання в медицині для живлення імплантованих кардіостимуляторів, при цьому  живлення кардіостимулятора відбувається сонячною батареєю імплантованою під шкіру людини.

Популярне: Сонячні панелі | Сонячні батареї

Відгуки по статті :
средній рейтинг: 5  відгуків: 1
Написати відгук
    • 5
    • 05.04.2020
    • Гість
    Історія створення та використання сонячних батарей