Применение солнечных батарей

Другим определяющим термином в общем поведении солнечного элемента является коэффициент заполнения (FF). Этот фактор является мерой качества солнечного элемента. Коэффициент заполнения ВАХ (FF) = (Vmpp x Impp) / (Voc x Isc)

где:

-Vmpp - напряжение в точке максимальной мощности (ТММ),

-Impp - ток в ТММ,

-Voc-напряжение холостого хода,

-Isc = ток короткого замыкания.

Типичные качественные серийно выпускаемые солнечные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ> 0.70.

Базовыми параметрами фотоэлектрических модулей являются:

-напряжение холостого хода при стандартных условия испытания (СУИ) в вольтах с предельными отклонениями в процентах;

-ток короткого замыкания при СУИ в амперах с предельными отклонениями в процентах;

-значение номинального тока защиты от сверх токов (величина часто указывается изготовителем модуля как максимальное значение номинального тока, для последовательно устанавливаемого плавкого предохранителя);

-максимальное напряжение фотоэлектрической системы, в которую может быть установлен фотоэлектрический модуль;

-рекомендованное максимальное количество фотоэлектрических модулей в фотоэлектрической цепочке и максимальное количество фотоэлектрических цепочек в фотоэлектрической батарее;

-максимальное рекомендуемое напряжение фотоэлектрической цепочки;

-температурные коэффициенты тока, напряжения и максимальной мощности;

-номинальное и минимальное значения максимальной выходной мощности при СУИ,

-условия эксплуатации, на которые рассчитаны фотоэлектрические модули.

Стандартные условия испытания (СУИ):

–температура элемента 25°С,

-энергетическая освещенность 1000 Вт/м2;

–световой поток направлен нормально к воспринимающей поверхности;

–спектральный состав АМ1,5 в соответствии с МЭК60904-3

Существует несколько способов увеличения эффективности фотоэлементов. Приведем некоторые из них.

1. Применение концентраторов солнечного излучения: линзы Френеля, параболические концентраторы, гелиостаты. Системы с конценраторами стали конкурентоспособными по стоимости в результате разработки высокоэффективных ячеек GaAs. Увеличение интенсивности обычно осуществляется с использованием концентрирующей оптики. Типичная система концентратора может использовать интенсивность света в 6-400 раз по сравнению с Солнцем и повысить эффективность одной солнечной ячейки GaAs с 31% при AM 1,5-35%. Но увеличение плотности энергии, поступающей на фото панель приводит к необходимости использования систем охлаждения, что делает конструкцию более сложной. Концентратор солнечных батарей подходит только для регионов с безоблачным небом. Как только свет становится рассеянным, даже когда появляются туманные облака, или небольшая дымка, эффективность ячеек падает почти до нуля, потому что этот свет не может быть сфокусирован.

2.Выбор оптимального прозрачного проводника. Освещаемая сторона некоторых типов солнечных элементов, тонких пленок, имеет прозрачную проводящую пленку, позволяющую свету проникать в активный материал и собирать генерируемые носители заряда. Обычно для этой цели используются пленки с высоким коэффициентом пропускания и высокой электропроводностью, такие как оксид индия-олова, проводящие полимеры или проводящие нанопроволочные сети. Существует компромисс между высоким коэффициентом пропускания и электропроводностью, поэтому оптимальную плотность проводящих нанопроволок или проводящую структуру сети следует выбирать для высокой эффективности.

3.Содействие рассеянию света в видимом спектре. Посредством подкладки светопринимающей поверхности ячейки с металлическими шипами нанометрового размера эффективность ячейки может быть существенно увеличена, поскольку свет отражает эти штифты под наклонным углом к ячейке, увеличивая длину пути, который принимает свет через клетку, тем самым увеличивая количество поглощенных клеткой фотонов, а также количество генерируемого тока. Основными материалами, используемыми для нано-шпилек, являются серебро, золото и алюминий. Однако золото и серебро не очень эффективны, так как поглощают большую часть света в видимом спектре, который содержит большую часть энергии, присутствующей в солнечном свете, уменьшая количество света, достигающего клетки. Алюминий, с другой стороны, поглощает только ультрафиолетовое излучение и отражает как видимый, так и инфракрасный свет, поэтому потери энергии минимизируются на этом фронте. Таким образом, алюминий способен повысить эффективность работы ячейки до 22% (в лабораторных условиях).

4.Радиационное охлаждение. Увеличение температуры солнечных элементов около 1°C приводит к снижению эффективности около 0,45%. Чтобы предотвратить снижение эффективности за счет нагрева, прозрачный слой кристалла кремнезема, может быть применен, к панели солнечных батарей. Силикатный слой действует как тепловое черное тело, которое излучает тепло в виде инфракрасного излучения в пространство, охлаждая ячейку до 13°C.

5.Прозрачные покрытия и текстуры. Прозрачные покрытия могут привести к более разрушительной интерференции падающих световых волн от солнца. Поэтому весь солнечный свет будет передаваться в фотогальванический. Кроме того, текстурирование (не отражающий свет), при котором поверхность солнечного элемента изменяется, чтобы отраженный свет снова ударялся о поверхность, является еще одним методом, используемым для уменьшения отражения. Эти поверхности могут быть созданы путем травления или использования литографии. Добавление плоской задней поверхности в дополнение к текстурированию передней поверхности помогает улавливать свет внутри ячейки для увеличения длины оптического пути.

6.Тонкопленочные материалы. Материалы тонкой пленки показывают много обещаний для солнечных элементов с точки зрения низких затрат и адаптации к существующим структурам и технологиям. Однако, поскольку материалы настолько тонкие, им не хватает оптического поглощения, которое имеет солнечные элементы в объемном материале. Хотя попытки исправить эту проблему были опробованы, более важно сосредоточиться на рекомбинации тонкой пленки. Поскольку это доминирующий процесс рекомбинации наноразмерных тонкопленочных солнечных элементов, он имеет решающее значение для их эффективности. Добавление пассивирующего тонкого слоя диоксида кремния может уменьшить рекомбинацию.

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, в 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, и пр.;

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

-высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;

-высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;

-приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;

-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.