Страница 5 из 7
Основным показателем эффективности фотоэлементов является коэффициент полезного действия – отношение количества энергии, поступившей на фотоэлемент, к количеству энергии, получаемой потребителем. Наибольшей эффективности работы (КПД) фотоэлектрических панелей можно добиться только при их установке перпендикулярно падающим солнечным лучам. Угол наклона солнца относительно горизонта меняется как в течение суток так и в течение года. Для увеличения КПД солнечных электростанций применяют системы автоматического слежения за солнцем (трэкеры). Такие установки дороги и сложны в установке, поэтому их применение оправдано только при большом количестве панелей. Ещё одним эффективным способом повышения энергоотдачи фото панелей является применение концентраторов солнечного излучения: линзы Френеля, параболические концентраторы, гелиостаты. Но увеличение плотности энергии, поступающей на фото панель приводит к необходимости использования систем охлаждения, что делает конструкцию более сложной. Солнечный модуль – это батарея взаимосвязанных солнечных элементов, заключенных под стеклянной крышкой, рис. 2. Чем интенсивнее свет, падающий на фотоэлементы и чем больше их площадь, тем больше вырабатывается электричества и тем больше сила тока.
Рис. 2. Солнечный модуль
Модули классифицируются по пиковой мощности в ваттах (Вт). Один пиковый ватт – техническая характеристика, которая указывает на значение мощности установки в определенных условиях, т.е. когда солнечное излучение в 1 кВт/м2 падает на элемент при температуре 25°С. Такая интенсивность достигается при хороших погодных условиях и Солнце в зените. Чтобы выработать один пиковый ватт, нужен один элемент размером 10 x 10 см. Более крупные модули, площадью 1м x 40см, вырабатывают около 40–50 Вт. Однако солнечная освещенность редко достигает величины 1 кВт/м2. Более того, на солнце модуль нагревается значительно выше номинальной температуры. Оба эти фактора снижают производительность модуля.
Эффективность широко применяемых фотоэлементов и модулей, достигнутых в лабораторных условиях представлена в таблице 2.
Соединение нескольких фотоэлектрических элементов вместе образует фотоэлектрический модуль (ФЭМ) или солнечные панели (СП). Для получения большой мощности несколько ФЭМ соединяется в фотоэлектрические батареи.
В течение ряда лет разработано множество типов солнечных элементов на основе кремния. В настоящее время широко используются следующие типы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), изготовленных из различных полупроводниковых материалов. ФЭП из поликристаллических фотоэлектрических элементов. рис.3, наиболее распространены ввиду оптимального соотношения цены и КПД среди всех разновидностей панелей, КПД которых составляет 12–14%. Такие панели имеют синий цвет и кристаллическую структуру
Таблица 2. Эффективность фотоэлементов и модулей
Рис. 3. Поликристаллический ФЭП
ФЭП из монокристаллических фотоэлектрических элементов, рис.4, более эффективны, а по цене более дорогие в пересчете на ватт мощности. КПД таких панелей составляет 14–19%(4).
Рис. 4. Монокристаллический ФЭП
В связи с тем, что монокристаллические элементы имеют форму многоугольников, всю площадь трудно рационально использовать. Из-за этого удельная мощность солнечной батареи оказывается несколько ниже, чем удельная мощность отдельного ее элемента.
ФЭП из аморфного кремния, рис.5, имеют низкий КПД, в пределах 6–8%. Несмотря на это, среди всех кремниевых технологий фотоэлектрических преобразователей такие солнечные батареи вырабатывают самую дешевую электроэнергию.
Рис. 5. ФЭП на основе аморфного кремния
ФЭП из теллурида кадмия (CdTe), рис.6, которые изготавливаются по тонкопленочной технологии. Полупроводниковый слой наносят тонким слоем в несколько сотен микрометров. Эффективность элементов из CdTe невысокая, КПД около 11%. По сравнению с кремниевыми панелями стоимость ватта мощности получается на несколько десятков процентов дешевле. ФЭП на основе CIGS, рис.7, CIGS – это полупроводник, состоящий из меди, индия, галлия и селена. Такие солнечные батареи тоже выполнены по пленочной технологии. По сравнению с панелями из теллурида кадмия обладают более высокой эффективностью, КПД доходит до 15%.
Рис. 6. ФЭП на основе теллурида кадмия
Рис. 7. ФЭП на основе CIGS
Наибольшее распространение на сегодняшний день получили модули, изготовленные на основе фотоэлектрических поликристаллических элементов. Востребованность данного типа альтернативных энергоресурсов объясняется наиболее оптимальным соотношением стоимости изделия и количества получаемой с его помощью энергии. Данную разновидность можно определить по синему цвету и кристаллической структуре образующих деталей, а установка модулей не составит особого труда. Поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму. Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого. Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него. При производстве монокристаллических модулей используется технология литья кремниевых кристаллов с повышенной степенью очистки. Отвердение расплава происходит при воздействии затравки. В период охлаждения изделия кремний затвердевает и обретает форму монокристалла (d 13–20 см). Длина такого изделия достигает 2м. после окончательного отвердевания пластина нарезается на меньшие элементы, толщина которых составляет 250–300 мкм. КПД монокристаллических сетевых солнечных электростанций достигает 19%. Университет Нового Южного Уэльса, достиг 25% эффективности от монокристаллического кремния в лабораторных условиях. Такие высокие показатели стали возможны благодаря возросшей подвижности электронов из-за ориентации кристаллов. Кремниевая поверхность покрывается сеткой из электродов, а также защитным стеклом. Изделие обрамляется алюминиевой рамкой. Такие модули представлены в двух вариантах расцветки – черный и темно-синий. Учитывая многоугольную форму отдельных элементов, достичь идеальных показателей удельной мощности целостной конструкции редко удается. Но этот факт практически не сказывается на производительности и эффективности оборудования. Солнечные панели, собранные из разных элементов кремниевых кристаллов, стоят дешевле, чем монокристаллические изделия. Технология их производства подразумевает соединение различных монокристаллических решеток кремния. Такой подход удешевляет производство, но и снижает срок службы устройств (25 лет против 50-ти для монокристаллов).Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20–22%. В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам, рис. 8. Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.