Солнечные электростанции – технические детали

Солнечные электростанции - фотоэлектрика

Фотоэлектрическая энергетика.

Фотоэлектрическая технология позволяет использовать неограниченную энергию солнца, не нанося ущерб окружающей среде. Фотоэлектрика может быть использована для различных целей, от небольших потребительских до масштабных солнечных электрических систем.

Физика фотоэлектрики

Впервые слово «фотоэлектрика» было использовано в 1890 году, оно состоит из двух частей: греческое photo – свет, и Вольт, в честь итальянского ученого Алессандро Вольта. Поэтому слово «фотоэлектрика» буквально обозначает «световое электричество». Это полностью отображает предназначение фотоэлектрических (PV) материалов и приборов – они обращают энергию света в электричество.

Индивидуальные фотоэлектрические элементы, более известные как солнечные элементы, являются устройствами из полупроводниковых материалов производства электричества. Фотоэлектрические элементы бывают разных размеров и форм. Их часто объединяют между собой в фотоэлектрические модули, а модули, в свою очередь объединяют в фотоэлектрические батареи.

Размер батарей зависит от нескольких факторов, таких как количество солнечного света в определенной местности и цели использования. Модули, составляющие батарею, являются основной составляющей частью фотоэлектрической системы, в которую также входят электрические соединения, монтажная арматура, оборудование для поддержания заданного качества электроэнергии и аккумуляторы для хранения солнечной энергии.

Фотоэлектрические системы давно стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Простейшие фотоэлектрические системы используются в калькуляторах и наручных часах. Более сложные системы применяются для питания коммуникационных спутников, водяных насосов и освещения. Также большое количество дорожных знаков оснащено солнечными батареями.

Фотоэлектрические материалы

Солнечные элементы производятся из различных полупроводниковых материалов:

Кремний (Si) – включая монокристаллический кремний, поликристаллический кремний и аморфный кремний.
Поликристаллические пленки – включая медно-индиевые диселенид (CIS), теллурид кадмия (CdTe),
Монокристаллические пленки – включая такие высокоэффективные материалы, как арсенид галлия (GaAs).

Степень кристаллизации.

Степень кристаллизации материала показывает, насколько четко структурированы атомы в кристаллической структуре. Кремний, как и другие полупроводниковые материалы, существует в различных формах: монокристаллической, мультикристаллической, поликристаллической и аморфной. В структуре монокристаллических материалов соединение атомов от слоя к слою повторяется в одном и том же строгом порядке. В материалах, состоящих из большого числа кристаллов, строгий порядок строения нарушается от кристалла к кристаллу. На схеме показан примерный размер кристаллов кремния и способ их получения.

Тип кремния Обозначение Размеры кристалла Методы осаждения
Монокристаллический кремний sc-Si >10 см Вытягивание по Чохральскому, плавающая зона
Мультикристаллический кремний mc-Si 1 мм-10 см литье, sheet, ribbon
Поликристаллический кремний pc-Si 1 мм-1 мм Химическое осаждение из газовой среды
Микрокристаллический кремний mc-Si <1 мм Плазменное осаждение

Поглощение

Коэффициент поглощения материала показывает, насколько глубоко в материал может проникнуть световая волна определенной длины до полного поглощения. Маленький коэффициент поглощения означает, что свет не поглощается материалом. Коэффициент поглощения света солнечного элемента зависит от двух факторов: материала, из которого сделан элемент, и длины волны света. Солнечные элементы имеют четко очерченный коэффициент поглощения. Причина этого заключается в том, что солнечный свет, энергия которого ниже запрещенной энергетической зоны (щели) материала, не может освободить электрон. Поэтому этот свет не поглощается.

Запрещенная энергетическая зона.

Запрещенная энергетическая зона полупроводникового материала - это минимальное количество энергии, необходимой для перевода электрона в свободное состояние. В свободном состоянии электрон может быть вовлечен в процесс проводимости. Нижний энергетический уровень полупроводника называется «валентная зона». Верхний энергетический уровень (на котором электрон может свободно перемещаться) называется «зона проводимости». Запрещенная энергетическая зона – это разница между зоной проводимости и валентной зоной.

Сложность изготовления

Важнейшей частью солнечного элемента являются полупроводниковые слои потому, что именно там высвобождаются электроны и возникает электрический ток. В различных типах солнечных элементов используются различные виды полупроводниковых материалов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Стоимость и сложность изготовления солнечных элементов зависит от используемых материалов и конструкции устройства.


Солнечный элемент состоит из стеклянного, пластикового или другого герметика, поглощающего покрытия (просветляющего покрытия), фронтального контакта, который позволяет электронам перейти в цепь, тыльного контакта, который позволяет электронам замкнуть цепь, и слоев полупроводников, в которых электроны начинают и заканчивают свое движение.

Фотоэлектрические системы (коллекторы)

Основой фотоэлектрической системы являются солнечные элементы. Отдельно взятый солнечный элемент обычно небольшого размера и производит около 1-2 Ватт электроэнергии. Для увеличения объемов производства электричества солнечные элементы объединяют в более крупные блоки, которые называют модулями. Модули, в свою очередь, объединяют в батареи. Таким образом, можно построить фотоэлектрические системы практически любой требуемой мощности.

Фотоэлектрические системы можно разделить на две основные категории: плоские коллекторы и коллекторы с концентратором.

Модули и батареи, сами по себе, еще не являются фотоэлектрической системой. Для создания полноценной системы необходим каркас модулей и оборудование для конвертации постоянного тока в переменный. Также могут потребоваться аккумуляторы для хранения полученной электроэнергии. Все эти дополнительные компоненты называются компонентами «баланса системы» ("balance of system" component – BOS).

Итак, фотоэлектрическая система – это солнечные модули и компоненты «баланса системы». Такие системы могут удовлетворить любые потребности в электроэнергии, будь то питание водяного насоса, освещение дома, или снабжение электроэнергией целого сообщества.

 

Системы с плоскими коллекторами.

Это самый распространенный тип фотоэлектрических систем. Такие системы могут быть фиксированными и подвижными. Эти системы работают как на прямом, так и на рассеянном солнечном свете. Даже при ясной погоде диффузный компонент солнечного света равен 10%-20% от суммарного солнечного излучения на горизонтальной поверхности. При переменной облачности рассеивается до 50% солнечного излучения. А в облачную погоду рассеивается 100% излучения.


 


Конструкция стандартного плоского коллектора

 

Простейшая солнечная батарея состоит из плоских панелей в фиксированном положении. Преимущество неподвижных солнечных батарей заключается в отсутствии движущихся частей, и относительно небольшом весе. Это позволяет устанавливать такие батареи в различных местах, включая крыши жилых домов. Но из-за неподвижного положения КПД батарей резко падает.

Коллекторы с концентратором.

Первоначальной целью разработки коллекторов с концентраторами было уменьшение числа используемых солнечных элементов, так как именно солнечные элементы являются самой дорогостоящей частью фотоэлектрической системы. В концентраторе используются сравнительно недорогие материалы (пластиковые линзы, металлический корпус) для сбора и фокусировки солнечного излучения на небольшой площади, где размещаются солнечные элементы. Мерой эффективности такого подхода является коэффициент концентрации.

Преимущества коллекторов с концентраторами перед плоскими коллекторами заключаются в следующем.
Системы с концентраторами производят больший объем энергии при меньшем числе используемых солнечных элементов. Дополнительным преимуществом является и то, что продуктивность солнечного элемента увеличивается при концентрированном свете. Степень увеличения КПД напрямую зависит от конструкции солнечного элемента и использованных материалов.

Также в таких системах можно использовать солнечные элементы меньшего размера.


 


Конструкция стандартного коллектора с концентратором

Тем не менее, существуют некоторые трудности в применении концентраторов. Концентрирующая оптика стоит намного дороже, чем обычная защитная пленка для плоских коллекторов. Также подавляющее большинство концентрирующих систем должно быть оснащено системой слежения за движением солнца в течение года.

Для концентрации солнечного света использовались как отражатели, так и линзы. Наиболее впечатляющие результаты были получены при использовании линзы Френеля. Эта линза состоит из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля. Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Первые направляют световой поток в каком-либо одном направлении. Поясные линзы посылают свет от источника по всем направлениям в определённой плоскости. К сожалению, ни одна линза не может пропускать 100% проходящего света. В лучшем случае пропускная способность составляет 90-95%, но на практике эта цифра оказывается еще меньше. К тому же, концентраторы не могут фокусировать рассеянный солнечный свет, который составляет около 20% солнечного излучения в ясный день.

Высокий коэффициент концентрации влечет проблему перегрева. Когда концентрируется избыточное количество излучения, вырабатывается тепло. КПД солнечного элемента при увеличении температуры падает, также высокая температура отрицательно сказывается на долговременной устойчивости элементов. Поэтому необходимо их охлаждать.

Солнечные электростанции - Время возмещения энергетических затрат

Время возмещения энергетических затрат (EPBT) – это период времени использования фотоэлектрической системы, необходимый для производства объема электроэнергии равного объему затраченной энергии на ее производство. Как показали исследования, проведенные в 2004 году, фотоэлектрические системы, установленные на крышах, имеют небольшой срок возмещения энергетических затрат. Значение EPBT зависит от трех факторов:

  • Эффективность преобразования солнечной энергии.
  • Объем света (инсоляция) получаемого системой (в среднегодовой показатель для Южной Европы: 1700 кВтч/м2; для США – 1800 кВтч/м2).
  • Технология производства солнечных элементов системы.

Существует три основных способа производства солнечных элементов. Наиболее распространенным способом является производство элементов из распиленных кремниевых слитков. Слитки могут быть как монокристаллическими, так и мультикристаллическими. Процесс выращивания и распиливания требует внушительных энергетических затрат. Более новая энергосберегающая технология позволяет производить отдельные элементы на основе кремниевых пластин, нарезанных из мультикристаллических лент. Третий способ производства подразумевает нанесение тонких слоев некристаллического кремния на недорогие субстраты. Такой подход является наименее энергоемким и позволяет производить солнечные элементы из аморфного кремния на подложке из нержавеющей стали, теллурида кадмия (CdTe) на подложке из стекла и диселенида галлия-индия-меди (CIGS) на подложке из нержавеющей стали или стекла.

В 2004- начале 2005 г.г. было проведено исследование систем, соединенных с сетью, в которых использованы солнечные элементы различного происхождения. Целью этого исследования было получение значений EPBT (см. таблицу). Из таблицы видно, что энергетические затраты, даже на самый энергоемкий технологический процесс производства, не превышают 10% от общего объема электроэнергии, полученной за срок эксплуатации фотоэлектрической системы.

Таблица. Время возмещения энергетических затрат систем с различными фотоэлектрическими технологиями.

(не включены данные по аморфному кремнию и CIGS)

Инсоляция - 1700 кВтч/м2 в год; коэффициент эффективности системы – 75%


Технология производства кристаллов
Время возмещения энергетических затрат (EPBT)1 (годы) Энергия, затраченная на производство системы, в сравнении с объемом производства энергии2 (%) Общий объем произведенной энергии разделенный на объем энергии, затраченная на производство системы2
Монокристаллический кремний 2.7 10.0 10
Неленточный мультикристаллический кремний 2.2 8.1 12
Ленточный мультикрситаллический кремний 1.7 6.3 16
Теллурид кадмия 1.0 3.7 27

1. По данным статьи В. Фтенакиса (V. Fthenakis) и Е. Альсема (E. Alsema) «Время возмещения энергетических затрат фотоэлектрических систем, выбросы парников газов и внешние издержки: состояние на 2004-начало 2005», Прогресс в фотоэлектрике, том 14, №3, параграфы 275-280, 2006 г.

2. 30-летний период эксплуатации с максимальной расчетной мощностью на конец срока эксплуатации - 80%.