Фотоэлектрических преобразователей солнечных панелей

Сенаторов Сергей Сергеевич

Электротехнический факультет

Кафедра Электроснабжение промышленных предприятий и городов

Специальность Электроснабжение и энергосбережение

Анализ применения фотоэлектрических преобразователей в системах электроснабжения

Научный руководитель: к.т.н., профессор Левшов Александр Васильевич

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В наше время проявляется большой интерес к использованию возобновляемых (альтернативных) источников энергии: солнечной, ветровой, геотермальной и др. По уровню поступающей на Землю возобновляемой энергии Солнце является самым мощным из извест-ных источников. Поэтому разработка устройств использующих солнечную энергию является одной из перспектив.

Применение фотоэлектрических преобразователей для произ-водства электроэнергии позволяет комплексно решать вопросы энергоснабжения, защиты окружающей среды, экономии ископаемых источников энергии. Их совместное использование с различными устройствами силовой электроники в системах электроснабжения, соединенных с сетью, позволяет получать многофункциональные системы [1].

1. Актуальность темы

Солнечная энергетика является относительно новым способом производства электроэнергии. Бурное развитие отрасли началось в середине 2000-х годов и было вызвано, главным образом, политикой развитых стран (в первую очередь, стран Евросоюза) по снижению зависимости от углеводородного сырья в электроэнергетике и стремлением достичь целей по сокращению выбросов парниковых газов. Кроме того, быстрому развитию отрасли способствовало снижение стоимости производства солнечных панелей и рост их эффективности[2].

В настоящее время фотоэлектрические преобразователи энергии становятся все более популярными для электроснабжения различных объектов. За последние 10 лет объемы инсталляций фотоэлектрических модулей серьезно выросли, что на определенном этапе привело к дефициту кристаллического кремния (основного материала фото энергетики) и к появлению альтернативных технологий производства фотоэлектрических преобразователей [3].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основной целью работы является анализ и применение фотоэлектрических преобразователей в энергоснабжении, их особенностей и недостатков, методов повышения их эффективности, оценки работоспособности и возможности применения в энергорынке.

Основные задачи исследования:

1. Анализ состояния проблем и современных путей их решения.
2. Анализ методов повышения эффективности фотоэлектриче-ских преобразователей.
3. Расчетный эксперимент.

3. Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП)

Отдельный фотоэлектрический преобразователь – это полупровод-никовый прибор, который преобразовывает энергию фотонов в электрическую энергию. Преобразование энергии света в электричество происходит на уровне атомного строения тела. Кремний является наиболее распространенным материалом для изготовления ФЭП. Каждый отдельный ФЭП способен вырабатывать напряжение сравнительно малой величины (около 0,5 В), поэтому отдельные элементы собирают в модули, а модули в панели (рис. 1)[4].

Рисунок 1 – Солнечная панель, модуль и фотоэлектрический преобразователь.

Солнечная батарея вырабатывает электроэнергию при попадании на её поверхность солнечного света, это значит, что в ночное время суток солнечная панель не генерирует электричество. Но, как правило, нам необходима электроэнергия круглые сутки, поэтому в систему солнечных панелей вводиться блок аккумуляторных батарей. По своему назначению он выполняет функцию, накапливание электроэнергии в момент ее излишка, и отдает в момент ее нехватки.

Рисунок 2 – Типовая схема подключения солнечной панели.

4. Показатели развития солнечной энергетики в мире

Мировые мощности солнечных станций состоят из фотоэлектрических (преобразование солнечной энергии непосредственно в электрическую) и тепловых солнечных станций (могут вырабатывать как тепло, так и электроэнергию)[5].

По данным BP, в 2012 году в мире установленная мощность солнечных фотоэлектрических станций составила 100,1 ГВт – это менее 2% суммарного показателя по всей электроэнергетике мира (данная доля увеличилась с 0,2% в 2007 году). Основной прирост мощностей фотоэлектрических станций произошел за последние 5 лет, когда их объем вырос в 10 раз (рис. 3).

Рисунок 3 – Развитие фотоэлектрической отрасли в мире (слева) и страны-лидеры по установленным мощностям фотоэлектрических станций (справа).

Еще более низка роль фотоэлектрических станций в производстве электроэнергии, что, в первую очередь, вызвано их сравнительно низким коэффициентом (около 30%) использования мощностей по сравнению с другими видами электростанций (ТЭС, АЭС, ГЭС и др.). Так, по данным МЭА, в 2011 году в мире на солнечных электростанциях было произведено 61,2 млрд. кВт×ч электроэнергии, или 0,28% суммарного мирового производства электроэнергии. Для сравнения, данный объем более чем в 2 раза меньше показателя выработки электроэнергии на ГЭС в России.

Основные мощности фотоэлектрических станций в мире расположены в небольшом количестве стран-лидеров: в 2012 году первые 7 стран обладали 80% суммарных мощностей.

Наибольшее развитие фотоэлектрическая отрасль получила в Европе, где расположено 68% мировых установленных мощностей. Единоличным лидером в регионе является Германия, на которую приходится около 33% мировых мощностей, за ней следуют Италия, Испания и Франция.

Из неевропейских стран в 2012 году в Китае, США и Японии располагались мощности солнечной энергетики по 7-10 ГВт. В последние годы особенно быстро развитие солнечной энергетики происходит в Китае, где суммарная мощность фотоэлектрических станций выросла в 10 раз за 2 года – с 0,8 ГВт в 2010 году до 8,3 ГВт в 2012 году.

По данным Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21)[6], в 2012 году мировые установленные мощности по солнеч-ной тепловой энергетике составляли 255 ГВт тепловой мощности (большая часть приходится на Китай). В структуре мощностей основную роль играют станции, нацеленные на обогрев воды и воздуха.

Солнечная энергетика в России находится на стадии становления. Первая фотоэлектрическая станция мощностью 100 кВт была введена в строй в 2010 году в Белгородской области. Поликристаллические солнечные панели для станции закупались на Рязанском заводе металлокерамических приборов. В настоящее время рассматриваются различные проекты в этой сфере, в том числе в Ставропольском и Приморском краях, Челябинской области[5].

5. Система электроснабжения с фотоэлектрическими преобразователями

Объектом разработок и исследований является система электроснабжения, содержащая модули фотоэлектрических преобразователей и полупроводниковые преобразовательные устройства.

Рисунок 4 – Блок-схема системы электроснабжения.

В этой системе ячейки фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) соединяются последовательно между собой, образуя модули с повышенным выходным напряжением (напряжение модуля 12В или 24 В, в то время как напряжение элементарной ячейки составляет 0,6 В), к выходам каждого такого модуля подключается регулятор постоянного тока, затем выходы этих регуляторов соединяются между собой последовательно, образуя звено с напряжением 300 В [7].

6. Принцип действия фотоэлектрических преобразователей

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

Основные преимущества ФЭП:

• При работе нет выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду;
• Экономия ископаемого топлива;
• Отсутствие подвижных элементов, высокая эксплуатационная надежность установки, обеспечивают срок службы 20 и более лет;
• Пониженные эксплуатационные расходы;
• Модульный принцип системы (для увеличения мощности установки достаточно увеличить количество панелей) в соответствии с реальной потребностью пользователей.

Основные недостатки ФЭП:

• Высокая удельная стоимость конструкции;
• Производство энергии непостоянно из-за вращения Земли и погодных условий;
• Необходимость очистки поверхности фотоэлектрических преобразователей от пыли.

Фотоэлектрический элемент состоит из металлического основания, выполняющего роль положительного контакта, полупроводников p-типа и n-типа, образующих p-n-переход. На поверхности n-слоя расположена металлическая токосъемная контактная система.

На рисунке 5 изображен фотоэлектрический элемент и его энергетический баланс, показывающий значительный процент солнечного излучения, которое не преобразуется в электрическую энергию.

Рисунок 5 – Фотоэлектрический однопереходный элемент [8]

Процесс преобразования солнечного излучения в электричество, сопровождается следующими физическими процессами: 1 – разделение зарядов (возникновение избыточных электронов и дырок); 2 – рекомбинация; 3 – пропускание;4 – отражение и затенение поверхности лицевыми контактами.

Взаимодействие фотонов с материалом фотоэлектрического элемента (ФЭ), определяется известным выражением:

где h – постоянная Планка (6,63 × 10 -34 );

ν – частота электромагнитного излучения (солнечного света).

Согласно зонной теории, если энергия поглощенных фотонов превышает ширину зоны запрещенных энергий полупроводника (E_ф>E_з.зоны,) происходит возникновение свободных фотоэлектронов и дырок (фотовольтаический эффект). Для различных полупроводников существует граничное значение частоты ν_мин, определяемой шириной запрещенной зоны, ниже которой разделения зарядов не происходит.

Поступающая на поверхность ФЭ солнечная энергия, расходуется следующим образом[8]:

• 3% – потери, связанные с отражением и затенением поверхности ФЭП лицевыми контактами;
• 23% – энергия, поступающая с фотонами с частотой излучения ниже, чем ν_мин и энергией недостаточной для освобождения электронов, выделяется в виде тепла и вызывают нагрев ФЭ;
• 74% – энергия фотонов с частотой выше чем ν_мин, т.е. способных вызывать фотоэффект. Эта энергия распределяется следующим образом:
• 13% – идет на генерацию полезной электрической энергии;
• 32% – фотоны, которые прошли сквозь элемент, но не приняли участия в разделении зарядов (пропускание);
• 8,5% – процесс рекомбинации свободных носителей заряда;
• 20% – расходуется на создание объемного электрического заряда в элементе, прежде всего в областях перехода;
• 0,5% – идет на покрытие электрических потерь на последова-тельном сопротивлении (потери проводимости).

Для уменьшения видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия[9]. К их числу относятся:

• Создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ши-рине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад;
• Использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещенной зоны;
• Оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и т.д.);
• Применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• Текстурирование поверхности для уменьшения коэффициента отражения.

7. Каскадные фотоэлектрические преобразователи

Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, с энергией превышающей ширину запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии полезно не используются. Один из путей преодоления этого ограничения – применение многослойных структур из двух и более солнечных элементов с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными или каскадными. Каскадные элементы могут достичь большей эффективности фотоэлектрического преобразования, поскольку используют значительно большую часть солнечного спектра[10].

В типичном каскадном солнечном элементе (см. рис. 6) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Не поглощенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны, где часть их поглощается и т.д.

Рисунок 6 – Принцип построения каскадного ФЭП [10]

(анимация: 8 кадров, повторов: не ограничено, размер: 78 килобайт, задержка: 200мс)

Современный опыт разработки трехкаскадных фотоэлементов позволяет надеяться на практическую реализацию повышенных значений кпд в четырех-, пяти-, а может быть, и в еще более многокаскадных структурах. Нет никаких научно-теоретических сомнений, что надежды оправдаются, если будут найдены подходящие материалы для промежуточных каскадов, и эти материалы будут иметь надлежащее качество.

8. Линзовые солнечные панели

Эффективное использование солнечной энергии в интересах широкого развития экологически чистой электроэнергетики возможно лишь в случае применения достаточно мощных солнечных фотоэлектрических установок, имеющих высокий КПД и относительно низкую стоимость. Эти противоречивые требования могут быть успешно удовлетворены при создании установок с концентраторами солнечного излучения и высокоэффективными гетероструктурными фотопреобразователями на основе арсенида галлия. В качестве концентраторов при этом целесообразно использовать дешевые плоские линзы Френеля, объединенные в многоэлементные блоки, КПД которых может достигать 85-90%[11].

Рисунок 7 – Принцип действия линзы Френеля

Оптимальная степень концентрации солнечного излучения в таких установках для наземных условий применения составляет 400-800. Это позволяет примерно в такое же количество раз уменьшить площадь полупроводниковых солнечных элементов (СЭ), необходимую для выработки заданной электрической мощности, по сравнению с плоскими солнечными батареями, преобразующими неконцентрированное солнечное излучение, и дает возможность использовать дорогие высокоэффективные СЭ на основе арсенида галлия без увеличения стоимости установки.

Концентрирование солнечного излучения позволяет, кроме того, повысить КПД гетероструктурных СЭ до 25% и более в однопереходных элементах и до 35% – в каскадных. При таких значениях КПД и непрерывном слежении за Солнцем, необходимом при использовании концентраторов, удельный энергосъем с единицы площади лучевоспринимающей поверхности установки будет в 2-3 раза выше по сравнению с неподвижными плоскими кремниевыми солнечными батареями(СБ). Соответственно меньше будут общая площадь и масса установок с концентраторами, расход материалов и объем работ, связанных с их созданием и монтажом.

Выводы

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов достигает 25%. В лабораторных условиях летом 2013 года компания Sharp достигла КПД ФЭП в 44,4%, однако уже в сентябре немецкие ученые из Института солнечной энергии общества Фраунгофера и Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца заявили о создании самого эффективного фотоэлемента в мире, КПД которого составляет 44,7%[12].

В работе рассмотрены различные виды фотоэлектрических преобразователей, анализ их характеристик, а также методы повышения их эффективности.

Источник