Юрий Почанин - Конструкции и монтаж фотоэлектрических модулей

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 энергиипутем использования фоточувствительных элементовдля преобразования солнечной энергиив электричество. В солнечной энергетике для получения электрической энергии широко применяют фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Несколько соединенных между собой преобразователей образуют солнечную батарею.

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 -2при 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 м 2.