Конструкции и монтаж фотоэлектрических модулей
Юрий Почанин
Конструкции и монтаж фотоэлектрических модулей
Введение
Сегодня промышленно развитые страны производят основную часть электроэнергии централизованно, на больших энергостанциях, таких как угольные, атомные и гидроэлектростанции или электростанции, работающие на природном газе. Современные крупные электростанции имеют довольно высокие энергетические показатели, но вынуждены передавать энергию конечным потребителям на большие расстояния. По мнению ведущих специалистов в области мировой энергетики применение самых последних достижений науки и техники в развитых странах эти потери составляют от 60 до 70%. Кроме того, создание крупных электростанций обусловлено множеством экономических, экологических, географических и геологических факторов, а также требованиями безопасности и охраны окружающей среды. В связи с этим одним из перспективных направлений развития мировой энергетики является создание инфраструктуры распределенного производства энергии – распределенной энергетики, которая подразумевает наличие множества потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя излишки в общую сеть. Такая схема обеспечивает уменьшение потерь электроэнергии при транспортировке по причине максимальной приближенности электрогенераторов к потребителям электричества. Распределенное производство электроэнергии характеризуется малыми затратами на обслуживание, низким загрязнением окружающей среды и высокой эффективностью.
Одной из составляющей инфраструктуры распределенного производства энергии является энергия, полученная из возобновляемых источников.
Возобновляемая энергия признана важной составляющей энергетики в ХХ1 веке, а ее эффективное использование является одним из условий устойчивого энергообеспечения различных государств мира. Главные преимущества возобновляемых источников энергии – неисчерпаемость и экологическая чистота, что послужило основанием для бурного развития данного направления за рубежом и для весьма оптимистических прогнозов относительно использования ВИЭ в ближайшем будущем.
Возобновляемые источники энергии—это естественные источники энергии, существующие в биосфере нашей планеты и постоянно пополняющиеся за счет энергии солнца и естественных процессов. Они не являются плодом прямой человеческой деятельности. Использование возобновляемых источников энергии не добавляет дополнительной энергетической нагрузки, не ведет к повышению температуры на Земле. Экологически они безотходны, не загрязняют среду обитания. Главное достоинство возобновляемых источников энергии – неисчерпаемость и экологическая чистота.
Согласно определению, данному ООН, к возобновляемых источникам энергии относятся: солнце; ветер; морские и океанские приливы и волны; подземные горячие ключи, гидроэнергетические ресурсы больших и малых рек, продукты биомассы.
Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов или возобновляемых органических ресурсов и предоставлении для технического применения.
В современных условиях, характеризующихся инвестиционным голодом, ВИЭ могут вводиться в эксплуатацию в виде небольших модулей, не требующих больших капиталовложений, а затем наращиваться по мере необходимости. Многие установки ВИЭ могут работать в автономном режиме и не требуют большого числа обслуживающего персонала. Наконец, чрезвычайно важное в современных условиях обстоятельство – ВИЭ обеспечивают децентрализованную от энергосистем форму электроснабжения.
Выработка электроэнергии на ветроэнергетических станциях (ВЭС) выросла за последние 10 лет в 5 раз, на солнечных электрических станциях (СЭС) – в 25 раз.
В 2018 году 26 % мирового энергопотребления было удовлетворено из возобновляемых источников энергии.
Предлагается серия книг по конструкциям и монтажу оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. В первом томе предлагается рассмотреть конструкции и монтаж фотоэлектрических систем.
Глава 1. Потенциал солнечной энергии
Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Она нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные получают корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Все процессы, происходящие на Солнце, можно наблюдать лишь на его поверхности. Однако, основные реакции протекают в его внутренней части. Солнце – это огромный разогретый шар из газа, чей диаметр оценивается в 1,392 млн км. Это в 109 раз больше диаметра нашей планеты. На звезду приходится 99,87% всей массы Солнечной системы.
Основными элементами, из которых состоит наша звезда, являются водород (73,5% солнечной массы) и гелий (24,9%). На все остальные элементы приходится примерно 1,5%. Химический состав светила непостоянен – он меняется из-за превращений, происходящих во время термоядерных реакций. На заре своего существования Солнце почти полностью состояло из водорода. В ходе термоядерных реакций этот элемент превращается в гелий, поэтому его массовая доля падает. Гелий также превращается в более тяжелые элементы, однако, в целом его доля возрастает.
Конечно, у Солнца, состоящего из газов, нет привычной нам твердой поверхности. Значительную ее часть составляет атмосфера, которая по мере движения к центру светила уплотняется. Тем не менее принято выделять шесть «слоев», из которых состоит звезда. Три из них являются внутренними, а следующие три образуют солнечную атмосферу рис 1.1.
Рис.1.1. Строение Солнца
1-Ядро; 2-Зона лучистого переноса; 3-Зона конвективного переноса; 4-Фотосфера; 5-Хромосфера; 6-Корона; 7-Солнечные пятна; 8-Гранулы; 9-Протуберанец
Внутренняя структура Солнца включает следующие слои.
1.Ядро. В центре светила располагается ядро. Именно в этой области идут термоядерные реакции. Радиус ядра оценивается в 150 тыс. км. Температура здесь не опускается ниже 13,5 млн градусов, а давление доходит до 200 млрд атм. Из-за этого вещество здесь находится в крайне плотном состоянии. Его плотность составляет 150 г/куб. см. Это в 7,5 раз выше плотности золота. Именно такие условия необходимы для протекания термоядерных реакций. Надо понимать, что именно в ядре вырабатывается энергия, которую и излучает Солнце. Из ядер водорода образуется гелий. Для образования одного ядра гелия требуется 4 ядра водорода. На промежуточных стадиях образуется ядра тяжёлого водорода (дейтерия) и ядра изотопа. Эта реакция называется протон-протонной. При реакции небольшое количество массы реагирующих ядер водорода теряется, преобразуюсь в огромное количество энергии. Выделяющаяся энергия поддерживает излучение Солнца. Все остальные области звезды лишь обогреваются ядром, но сами энергию не вырабатывают.
2.Зона лучистого переноса. Над ядром располагается зона радиации, которую также именуют зоной лучистого переноса. Ее внешняя граница проходит по сфере радиусом 490 тыс. км. Температура постепенно падает от отметки в 7 млн градусов на границе с ядром до 2 млн градусов у внешней границы. Также и плотность вещества снижается с 20 до 0,2 г/куб. см. Тем не менее из-за высокой плотности атомы водорода не могут двигаться. То есть, если при нагреве, например, воды ее теплые слои поднимаются на поверхность, перенося туда тепло, то здесь такой механизм не работает – вещество остается неподвижным. Единственный способ энергии пробраться через зону радиации – это длительная цепочка поглощений и излучений фотонов атомами водорода. Из-за этого фотон, возникший при термоядерной реакции в ядре, в среднем «пробирается» наружу через зону радиации примерно 170 тыс. лет.
3.Зона конвективного переноса. Выше располагается зона конвективного переноса толщиной 200 тыс. км. Здесь плотность уже невысока, и вещество активно перемешивается – нагретые газы поднимаются наверх, отдают тепло, остывают и снова погружаются вниз. Скорость газовых потоков может достигать 6 км/с. Именно это движение порождает магнитное поле Солнца. Температура на поверхности падает до 6000°С, а плотность на три порядка ниже плотности земной атмосферы.
Атмосфера Солнца состоит из следующих слоев:
1.Фотосфера. Нижний слой атмосферы называют фотосферой. Именно она излучает тот свет, который согревает планеты Солнечной системы. Толщина фотосферы колеблется от 100 до 400 км. На внешней границе фотосферы температура падает до 4700°С.
2.Хромосфера. Над фотосферой располагается хромосфера – слой толщиной около 2000 км. Её яркость очень мала, поэтому с Земли её можно наблюдать довольно сложно. Удобнее всего это делать во время солнечных затмений. Она имеет специфический красный оттенок. В хромосфере можно наблюдать спикулы – столбы плазмы, выбрасываемые из нижних слоев хромосферы. Время существования одной спикулы не превышает 10 минут, а длина доходит до 20 тыс. км. Одновременно в хромосфере находится около миллиона спикул. Интересно, что с увеличением высоты температура хромосферы не падает, а растет, и на верхней границе может доходить до 20000°С.
3.Корона. Верхний слой атмосферы называется короной. Ее верхняя граница до сих пор четко не определена. Вещество в ней крайне разрежено. В короне можно наблюдать протуберанцы – выбросы солнечного вещества, чья высота над поверхностью звезды может достигать 1,7 млн км.
Солнце излучает огромное количество энергии. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем. Однако, только 47% всей энергии, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% – на процесс образования фотосинтеза в природе.
Годовое поступление солнечной энергии, которую поглощает атмосфера, поверхность суши и океана (по состоянию на 2010 год) составляет примерно 3 850 000 экса джоулей (ЭДж). 1 ЭДж = 1018 Дж = 278 ТВт/ч. Мировое потребление энергии за 2010 год составило 539 ЭДж, в том числе электроэнергии – 67 ЭДж.
Солнечная радиация – это электромагнитное излучение, спектр которого состоит из: около 9% энергии приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм, остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра.
Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367Вт/м² (солнечная постоянная). Количество солнечной энергии, поступающей в течение дня, в значительной степени зависит от местных атмосферных явлений. В полдень при ясном небе суммарное солнечное излучение, попадающее на горизонтальную поверхность, может достигнуть (например, в Центральной Европе) значения в 1000 Вт/м² (при очень благоприятных погодных условиях этот показатель может быть выше), а при очень облачной погоде – около 100 Вт/м² даже в полдень. Следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи, и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше. Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере и отраженного излучения. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.
Солнечная энергетика – направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Для оценки ресурса солнечной энергии, приходящей на единицу поверхности, применяются различные показатели. Обычно используется значение среднегодового, среднемесячного и суточное количество энергии, которое измеряется в кВтч/м². Также, часто используется так называемое "количество пиковых часов" солнечного сияния за период. Это приведенное значение получается делением прихода энергии за период на 1000 Вт/м². Этот параметр удобно использовать, так как обычно все параметры солнечных батарей и солнечных коллекторов указываются именно при этой пиковой освещенности. Поток солнечной энергии, падающий на установленный под оптимальным углом фотоэлемент, зависит от широты, сезона и климата и может различаться в два раза для заселённой части суши (до трёх с учётом пустыни Сахара). Атмосферные явления (облака, туман, пыль и др.) не только изменяют спектр и интенсивность падающего на поверхность Земли солнечного излучения, но и изменяют соотношение между прямым и рассеянным излучениями, что оказывает значительное влияние на некоторые типы солнечных электростанций, например, с концентраторами или на элементах широкого спектра преобразования.
Солнечная энергетика развивается по двум направлениям. По первому направлению (фотовольтаика) солнечная энергия преобразуется в электрическую с помощью фотоэлементов, второе направление (гелиотермальная энергетика) – нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла. В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP – Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч солнца. Этот луч солнца используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости, которая расходуется для электрогенерации по аналогии с обычными ТЭЦ или накапливается для сохранения энергии. Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д. Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта. В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.
Фотоэлектрические системы хорошо зарекомендовали себя с самого начала промышленного применения фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы служат основным источником питания для спутников на околоземной орбите с 1960-х годов. В отдаленных районах фотоэлементы обслуживают автономные энергоустановки с 1970-х. В 1980-х годах производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной аппаратуры. В 1990-х предприятия энергоснабжения начали применять фотоэлементы для обеспечения мелких потребностей пользователей. Фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное освещение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосистему и т. д. Они работают в любую погоду. При переменной облачности они достигают 80% своей потенциальной производительности; в туманную погоду – около 50%, и даже при сплошной облачности они вырабатывают до 30% энергии.
Преимущества солнечной энергетики – общедоступность и неисчерпаемость источника. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
Недостатки. Зависимость от погоды и времени суток. Фотоэлектрические преобразователи работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды.
Глава 2. Основные виды солнечных батарей
Фотовольтаика—метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество. В солнечной энергетике для получения электрической энергии широко применяют фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Несколько соединенных между собой преобразователей образуют солнечную батарею.
2.1. Принцип работы
фотоэлектрических преобразователей
В основе работы фотоэлектрического преобразователя лежит фотоэффект—преобразование энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию. Сущность фотоэффекта состоит в том, что электроны, содержащиеся в каком-либо веществе (твердом, жидком или газообразном), под действием фотонов падающего излучения приобретают энергию, позволяющую им изменять свое энергетическое состояние. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. К полупроводниковым относят материалы, у которых ширина запрещенной зоны (энергия, необходимая для перехода электрона из зоны валентности в зону проводимости) характеризуется значениями от 0 до 6 эВ. При создании гетероструктур может использоваться два, три и более полупроводника, которые компонуются определенным образом. По классификации полупроводниковых материалов иногда особо выделяют узкозонные полупроводники (ширина запрещенной зоны менее 0,3 эВ) и широкозонные полупроводники (ширина запрещенной зоны более 2 эВ.
Электронно-дырочный p-n переход–одно из основополагающих эффектов в твердотельной микроэлектронике. Р-n переход– ключевой элемент, необходимый для создания кремниевых кристаллических фотоэлектрических (фотогальванических) преобразователей.
Полупроводники по типу проводимости классифицируют:
–р-типа, в которых основной носитель заряда—дырки, общепринятое название—дырочная проводимость;
–n –типа, в которых основной носитель заряда—электроны проводимости, отсюда и название—электронная проводимость.
При этом, чтобы получить p-n переход, на пластине с одним типом проводимости необходимо создать слой с проводимостью другого типа.
Одно из важнейших свойств p-n перехода – это его способность пропускать носители тока исключительно в одном заданном направлении, другими словами – выполнять роль энергетического барьера. Поэтому именно этот эффект использован в солнечных элементах для получения электрического тока. Солнечное излучение, попадая на поверхность элемента, провоцирует генерирование в объеме полупроводника свободных разнополярных носителей заряда – положительно заряженные дырки (р) и отрицательно – электроны (n). Выступая в качестве барьера, p-n переход сортирует их, фильтруя на «свою» половину только определенный тин носителей заряда. В результате вместо хаотического движения в объеме полупроводника заряженные частицы, упорядоченно преодолевая p-n переход, оказываются по разным сторонам барьера, создавая напряжение на нагрузке, которая подключена к солнечному элементу.
Принцип работы солнечного модуля (солнечной панели, солнечной батареи), основан на физических свойствах полупроводников, имеющих способность создавать, под воздействием солнечного света, электронную проводимость «р-n» типа. Солнечный модуль состоит из определенного количества фотоэлементов, соединенных между собой, поэтому принцип работы устройства можно рассмотреть на работе отдельного элемента. Схематично, работа фотоэлемента, представлена на рис. 2.1. Фотоэлемент изготавливается из двух слоев кремния, в каждый из которых добавляются различные вещества, определяющие тип проводимости конкретного слоя. Так в верхний слой добавляется фосфор (N – слой), а в нижний–бор (Р –слой). Наличие разности потенциалов обуславливает возникновение электрического поля, под воздействием которого, разнозаряженные частицы начинают движение. Положительно заряженные движутся в верхний слой, отрицательно заряженные – в нижний.
Рис.2.1. Схема работы фотоэлемента
Эмиттер (область n-типа) и база (область p-типа) соединяются проводами для протекания электронов по внешней цепи путем подключения нагрузки. Электроны рассеивают энергию на внешней нагрузке через цепь и возвращают к фотоэлементу.
Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении, однако, сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль.
Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный ток. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – технологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей. В настоящее время в ведущих странах мира проводятся работы по эффективности и снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник-полупроводник или металл-полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А·М-2 при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт·М-2. Промышленные фотоэлементы или солнечные элементы имеют КПД от 10 до 20%. При средней облученности могут вырабатывать от 1 до 2 кВт электроэнергии в день с 1 м2.
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.
2.2. Поколения фотоэлементов
В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения фотоэлементов:
–ФЭП первого поколения создаются на основе пластин кристаллического кремния;
–ФЭП второго поколения создаются на основе тонких пленок;
–ФЭП третьего поколения создаются на основе органических и неорганических материалов., а также на основе каскадных многослойных структур и развивающихся технологий, к которым относятся:
–фотоэлементы с квантовыми точками,
–фотоэлементы, сенсибилизированные красителем,
–фотоэлементы на основе полимеров,
–фотоэлементы на основе перовскита.
2.2.1. Первое поколение фотоэлементов
Первое поколение фотоэлементов – классические кремниевые элементы с традиционным p-n переходом. Как правило, это пластины из чистого монокристаллического или поликристаллического кремния толщиной 200-300 мкм. Они характеризуются высоким КПД (17-22%) и высокой себестоимостью. В последние годы производителям удалось сократить себестоимость производства их, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке – около 82%
В ФЭП первого поколения используются следующие материалы:
–монокристаллический кремний (mc-Si),
–поликристаллический кремний (m-Si),
–на основе GaAs, арсени́д га́ллия – химическое соединение галлия и мышьяка,
–ribbon-технологии (EFG, S-web),
–тонкослойный поликремний (Apex).
Если основной элемент монокристаллической батареи – это искусственно выращенный монокристалл больших размеров, то другой вид светоприемников имеет полупроводниковый элемент поликристаллической структуры. Считается, что для потребления энергии Солнца оптимальным вариантом являются поликристаллические солнечные батареи. Они дешевле своего монокристаллического аналога, так как для производства используют обрезки, оставшиеся после монокристаллических элементов. Кремний при изготовлении рабочего элемента поликристаллической панели просто охлаждается из горячего расплава, что не требует высоких затрат и сложных технологий. По внешнему виду поликристалл кремния отличается от монокристалла неоднородностью цветовой гаммы, отливающей голубым и светло-синим цветом.
В настоящее время основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде (SiO2).