Солнечная энергия — представляет собой прямое преобразование солнечного света в электричество. Такое преобразование осуществляется в основном фотоэлектрическими панелями, которые представляют собой модули, состоящие из полупроводниковых материалов, таких как кристаллический кремний, электроны которого взаимодействуют с солнечным излучением, создавая электрический ток. Взаимодействие между кремнием и солнечным светом происходит без образования каких-либо остатков, вибраций или шума, что делает электроэнергию, полученную с помощью фотоэлектрических панелей экологической, возобновляемой энергией из-за неисчерпаемого источника солнца, который является таковым по земным меркам. Его преимуществами являются длительный срок службы оборудования (около 30 лет), низкие эксплуатационные расходы (при условии подобающего ухода за аккумуляторами), а также модульность и портативность.
Ключевые слова: солнечная энергия, фотоэлементы, электрическая энергия, фотоэлектрический эффект, фотоэлектрические системы.
Photovoltaic solar energy is the direct conversion of sunlight into electricity. Such conversion is carried out essentially by photovoltaic panels, which are modules composed of semiconductor materials such as crystalline silicon, whose electrons interact with solar radiation producing an electric current. The interaction between silicon and sunlight does not produce any residues, vibrations or noise, making the electric energy from photovoltaic panels to be considered ecological, renewable energy due to the inexhaustible nature of the sun if we consider the time scale terrestrial. Its advantages are the long service life of its equipment (around 30 years), its low maintenance (you only need to pay some attention to the accumulators) and its modularity and portability.
Keywords: Solar energy, photovoltaic cells, electrical energy, photovoltaic effect.
Фотоэлектрический эффект
Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется на основе фотоэлектрического эффекта, изобретенного Эдмоном Бекерелем в 1839 году. Фотоэлектрический эффект — это создание электрического напряжения или электрического тока в материале после воздействия на него света. Хотя фотоэлектрический эффект напрямую связан с фотоэлектрическим эффектом, это разные процессы. При фотоэлектрическом эффекте электроны выбрасываются с поверхности материала после воздействия излучения с достаточной энергией, тогда как при фотоэлектрическом эффекте генерируемые электроны переносятся между различными зонами (от валентных зон до зон проводимости) внутри самого материала, что приводит к появлению электрического напряжения между двумя электродами.
Принцип работы
Фотоэлектрические солнечные модули не используют тепло для производства электроэнергии. В интерпретации этого слова «фото» означает «производимый светом», а используемое понятие «гальванический» относится к «электричеству производимому в результате химической реакции», то есть они являются основными элементами для преобразования электромагнитной энергии в электрическую и их можно считать полупроводниковыми устройствами, вырабатывающими электрический ток при воздействии света.
Наиболее распространены полупроводники, образованные элементами IV группы периодической таблицы, такие как кремний (Si). Основной характеристикой этой группы является наличие 4 валентных электронов, следовательно возможно существование 4 ковалентных связей. Пятивалентные атомы (группа V периодической таблицы), такие как фосфор и мышьяк, при введении в кристаллическую сеть имеют на один электрон больше, чем необходимо для образования ковалентной связи. В этом случае требуется небольшое количество энергии, чтобы высвободить этот избыточный электрон в зону проводимости, приблизительно 1,12 В в случае использования кремния. Таким образом, можно считать, что элемент группы V является электронодонорной присадкой и представляет собой примесь азота или примесью N. Атомы группы III как и кремний легко образуют лишнюю щель для валентной зоны. Элемент в группе III считается акцептором электронов или примесью Р. Когда кристалл типа N присоединяется к кристаллу типа P, образуется переход типа N-P. В результате этого объединения устанавливается положительный заряд в N и отрицательный заряд в P. Таким образом, в области перехода возникает электрическое поле. На атомном уровне свет действует как поток частиц, называемых фотонами. Когда на N-P-переход воздействует световая энергия, возникает явление поглощения фотонов электронами (фотоэлектрический эффект), в результате которого некоторые из них переходят из валентной зоны в зону проводимости. Электроны, которые достигают зоны проводимости, перемещаются по полупроводнику, пока их не притягивает электрическое поле в области перехода. Через внешнее соединение электроны выводятся из ячейки и таким образом, доступны для использования. На каждый электрон, покидающий ячейку, приходится другой электрон, который возвращается от заряда замещая его. Таким образом, очевидно, что фотоэлектрический элемент не может накапливать электрическую энергию, что вызывает необходимость использования батарей, в случае использования системы в автономном режиме (в данной ситуации она представляет собой источник электроэнергии, независимый от работы городской или промышленной электросети, поэтому системе требуется устройство для накопления и хранения электроэнергии), либо необходимо подключение модуля к электросети, тогда система будет являться гибридной (и будет работать параллельно с электросетью, и в данном случае устройства для накопления электроэнергии не требуется).
Фотоэлектрический модуль
Модуль является основным элементом фотоэлектрической системы. Он состоит из рамной конструкции, обычно изготовленной из алюминия, и состоит из набора фотоэлектрических элементов, электрически соединенных между собой параллельно или последовательно, покрытых оболочкой, которая защищает их, и их соединения от воздействия коррозии и механических повреждений. Группировка по модулям имеет важное значение, поскольку одиночная ячейка вырабатывает незначительное количество электрической энергии (максимально около 0,4 В). Количество ячеек в модуле и их расположение зависит от необходимого напряжения или тока. При этом, количество фотоэлектрических элементов, соединенных последовательно, определяет напряжение в системе, а ток определяется параллельным соединением этих элементов.
Модули должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать неблагоприятные условия окружающей среды, в которых они будут эксплуатироваться. Чтобы обеспечить защиту от воздействия механических нагрузок, атмосферных осадков и влажности, фотоэлектрические элементы заключены в пленку из этиленвинилацетата (EVA). Это гибкий, полупрозрачный материал, который не отражает солнечное излучение, и в то же время обеспечивает электрическую изоляцию между элементами. По краям предусмотрены алюминиевые каркасные элементы, а поверхность защищается стеклянной пластиной.
Эффективность преобразования
Эффективность преобразования или характеристика фотоэлектрического элемента определяется как отношение мощности света, падающего на поверхность фотоэлектрического элемента, и электрической мощности, поступающей на его выходные зажимы. Термодинамические процессы накладывают ограничения на величину верхнего предела коэффициента эффективности фотоэлектрического преобразования (как и в случае со всеми процессами преобразования энергии), а сама структура фотоэлектрических элементов дополнительно снижает максимальную эффективность элементов. Текущим мировым лидером по эффективности фотоэлектрического преобразования является ячейка GaInP / GaInAs / Ge от Spectrolab, которая имеет эффективность — 39 %. Для кремниевых элементов максимальное полученное значение эффективности преобразования — составляет 24,4 %. Эти высокоэффективные ячейки представляют собой устройства, требующие очень сложной технологии, такой как, например, специальные процессы текстурирования на поверхности для уменьшения отражательной способности ячейки или создание электрических полей на задней части ячейки для уменьшения рекомбинации. Ячейки, производимые на промышленном уровне, обычно имеют КПД около 15 %.
Автономные фотоэлектрические системы
Автономные системы характеризуются необходимостью наличия устройства аккумулирования энергии. Такое устройство представляет собой обычно наборы, соединенных последовательно или параллельно аккумуляторов (батарей), в которых энергия, вырабатываемая солнечными панелями, хранится и далее подается к точкам потребления. Учитывая прерывистую характеристику фотоэлектрического преобразования, аккумуляторная система является неотъемлемой частью почти всех автономных систем, а также представляет собой один из ее самых дорогих компонентов и считается «ахиллесовой пятой» системы. В отличие от фотоэлектрических панелей, батареи требуют обслуживания, и их срок службы обычно в четыре-шесть раз меньше, чем срок службы панелей.
Гибридные фотоэлектрические системы
Гибридные системы — это системы, в которых в случае их отключения от электросети предусмотрена возможность применения другой формы производства электроэнергии, например, использования дизель-генераторные установки. Они используются для систем средней и большой мощности и обычно предназначены для удовлетворения потребностей потребителей переменного тока. Это сложные системы, и они нуждаются в управлении, способном объединять различные генераторы, чтобы оптимизировать их работу для нужд пользователя.
Изолированные системы
Изолированные системы — это системы, имеющие в своей основе чисто фотоэлектрическую конфигурацию. Они предназначены для установки в местах с исключительно благоприятными климатическими условиями. Для них предусмотрено несколько возможных конфигураций, среди которых возможность работы на:
– нагрузки постоянного тока без накопления электроэнергии: Электрическая энергия в этом случае используется непосредственно получаемая в момент выработки и направляется для работы оборудования, работающего на постоянном токе.
– нагрузки постоянного тока с использованием накопителя: Электроэнергия подается к потребителю независимо от протекания фотоэлектрических процессов в установке. Запас электроэнергии хранится в аккумуляторных батареях, при этом обычно используются контроллеры заряда для защиты батарей от перезарядки или глубокой разрядки.
– напряжении переменного тока без накопления электроэнергии: электрическая энергия используется во время генерации, но требуется инвертор (устройство, преобразующее постоянный ток в переменный) между фотоэлектрической системой и электрическим оборудованием.
– напряжении переменного тока с накоплением: Энергия хранится в аккумуляторных батареях. При этом требуется использование инвертора, и повторитель точки максимальной мощности.
Системы подключенные к электросети
Системы, подключенные к электросети — это системы, в которых энергия, генерируемая фотоэлектрическими батареями, передается в электросеть. Принцип работы, следующий: при генерировании системой избыточной энергии по сравнению с потреблением, этот избыток направляется непосредственно в общественную электросеть. Когда система вырабатывает меньше энергии, чем необходимо для удовлетворения потребностей потребителей, необходимая дополнительная энергия забирается из сети.
В заключение необходимо отметить, что принцип получения электрической энергии основан на возникновении разницы в электрическом потенциале между двумя точками. При этом электроны перемещаются между этими точками, создавая электрический ток. Выработка электроэнергии с использованием фотоэлементов является очень перспективной альтернативой, потому что фотоэлектрические модули не только используют солнечный свет для выработки электроэнергии, они не создают шума во время процесса преобразования и могут быть установлены на крышах зданий.
Литература:
1. Андреев, В. М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / В. М. Андреев, В. М. Грилихес, В. Д. Румянцев. -Л.: Наука, 1989.-310 с.
2. Артемова, Е. Энергия солнца [Электронный ресурс]: сетевое издание «Интерфакс-Россия». — Режим доступа: http://www.interfax-russia.ru /South/view.asp?id=545580.
3. Гременок, В. Ф. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов / В. Ф. Гременок, М. С. Тиванов, В. Б. Залесский. — Минск: Изд. Центр БГУ, 2007. — 222 с.
4. Лукутин, Б. В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении: монография / Б. В. Лукутин, О. А. Суржикова, Е. Б. Шан- дарова. -М.: Энергоатомиздат, 2008. -231 с.
5. Расчет ресурсов солнечной энергетики / В. И. Виссарионов, Г. В. Дерюгина, С. В. Кривенкова, В. А. Кузнецова, Н. К. Малинин; под. ред. В. И. Виссарионова. — М.: Изд-во МЭИ, 1998. — 61с.
