Солнечные батареи
С каждым днем люди на планете все больше зависят от разного рода носителей энергии. Один из них, безусловно, солнце. Но что есть такое его лучи? Весь электромагнитный спектр солнечного излучения, какую бы энергию ни несли отдельные ее участки, представляет излучение физических тел. Основные источники света - атомы - никогда не испускают его непрерывно. Напротив, их излучение носит прерывистый, дискретный характер, ибо все атомы генерируют свет только в виде отдельных квантов электромагнитного поля - фотонов. Однако уже в простом опыте по разложению белого света с помощью призмы обнаруживается удивительный красочный порядок, который наглядно демонстрирует не только энергетический, но и явно семиотический (знаковый) характер спектра. Примерно такой же по многогранности спектр представляют собой и солнечные лучи, воздействующие на кремний (заложенный в основе) фотоэлементов, соединенных в батареи.
Процесс преобразования световой (photons) энергии в электрическую (voltage) называется PV-эффект. Он был открыт в 1954 году, когда ученые обнаружили, что кремний (этот элемент - основа обыкновенного песка) создает электрическую энергию, когда его освещают солнечным светом. Вскоре солнечные элементы стали применять для питания электронной аппаратуры космических спутников, небольших электронных устройствах таких, как калькуляторы и наручные часы и в других отраслях.Сегодня солнечные батареи массово применяются в качестве зарядных устройств небольшой мощности - для сотовых телефонов и другой бытовой техники.
<Когда аккумулятор для зарядки подсоединяется к солнечной панели, обычно в цепь необходимо включать контроллер для предупреждения перезаряда. Эта схема использует параллельный способ подключения. При этом способе солнечная панель всегда подключена к аккумулятору через последовательный диод. Когда солнечная панель заряжает аккумулятор до желаемого максимального напряжения, схема параллельно солнечной панели подключает нагрузочный резистор, чтобы поглощать избыточную мощность с солнечной панели.
Функция полезной мощности, отдаваемой солнечной батареей в нагрузку, зависит от вырабатываемого напряжения, которое в свою очередь зависит от инсоляции - то есть от интенсивности солнечного света - и температуры самой батареи. Работа на кривой зависимости ток/напряжение где-либо еще кроме точки максимальной получаемой мощности, приводит к снижению эффективности работы и потере доступной энергии. Следовательно, контроль точки максимальной мощности является необходимой функцией в передовых системах управления источниками солнечной энергии, так как это может увеличить практическую эффективность часто на 30 % и более.
Системы, получающие энергию от возобновляемых источников, таких как солнечные батареи, обычно накапливают энергию в аккумуляторах, а затем отдают ее в нагрузку Часто, оба этих процесса происходят независимо. Периодическое вычисление оставшегося заряда аккумулятора гарантирует хорошую и продолжительную его работу, то же относится и к контролю тока, отдаваемого аккумулятором в нагрузку. Текущий заряд батареи вычисляется исходя из ее ранее вычисленного заряда, плюс полученная энергия при заряде или минус энергия, отданная в нагрузку.
Современный мир уже невозможно представить без электричества, и аккумулирующих его устройств, в частности - солнечных батарей, а, следовательно, чтобы идти в ногу со временем, людям нужно применять новые нетрадиционные методы энергоснабжения, хотя бы для того, чтобы наш жизнь в быту и на природе стала более комфортной.
К слову, цены на солнечные батареи упали (за последние 20 лет) в 30-40 раз. Более того, они продолжают снижаться, что делает их использование весьма перспективным.
Солнечная батарея — бытовой термин, используемый в разговорной речи или не научной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
Мощность потока солнечного излучения на расстоянии 150 млн. км от Солнца, без учёта потерь в атмосфере Земли, составляет около 1350 ватт на квадратный метр. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %.
В отдельных лабораториях получены солнечные элементы с эффективностью 43 %. В январе 2011 уже поступили на рынок солнечные элементы с эффективностью 39%.
ФЭП применяются в условиях хорошей освещенности. Различают несколько типов солнечных кремневых батарей. Самый эффективный тип (ФЭП) изготавливают из монокристаллического кремния. КПД таких (ФЭП) доходит до 24%.
Распространенные ФЭП на основе монокристаллов имеют высокую эффективность и практически неограниченный срок эксплуатации, помимо незначительного потемнения технологического полимера, одновременно являющегося герметиком для фотопластин; исходя из этого срок эксплуатации может достигать четверти века.
Времена, когда солнечные панели были очень громоздкими, хрупкими и нежными, постепенно уходят в прошлое и производители предлагают все более экстремальные варианты этих экологических источников энергии.
ФЭП из поликристаллического кремния имеют максимальный КПД до 20%, срок эксплуатации приближенный к сроку эксплуатации монокристаллического кремния.
Себестоимость поликристаллического кремния незначительно ниже монокристаллического. Ниже в таблице приведены типы ФЭП на сегшодняшний день и максимальные значения эффективности этих фотоэлементов и модулей.
Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
Тип
|
Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
|
Кремниевые
|
|
Si (кристаллический)
|
24,7
|
Si (поликристаллический)
|
20,3
|
Si (тонкопленочная передача)
|
16,6
|
Si (тонкопленочный субмодуль)
|
10,4
|
III-V
|
|
GaAs (кристаллический)
|
25,1
|
GaAs (тонкопленочный)
|
24,5
|
GaAs (поликристаллический)
|
18,2
|
InP (кристаллический)
|
21,9
|
Тонкие пленки халькогенидов
|
|
CIGS (фотоэлемент)
|
19,9
|
CIGS (субмодуль)
|
16,6
|
CdTe (фотоэлемент)
|
16,5
|
Аморфный/Нанокристаллический кремний
|
|
Si (аморфный)
|
9,5
|
Si (нанокристаллический)
|
10,1
|
Фотохимические
|
|
На базе органических красителей
|
10,4
|
На базе органических красителей (субмодуль)
|
7,9
|
Органические
|
|
Органический полимер
|
5,15
|
Многослойные
|
|
GaInP/GaAs/Ge
|
32,0
|
GaInP/GaAs
|
30,3
|
GaAs/CIS (тонкопленочный)
|
25,8
|
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)
|
11,7
|
Крупнейшие современные мировые производители фотоэлектрических элементов.
1. Sanyo Electric 2. Suntech 4. Sharp 5. Yingli 6. Trina Solar 7. Sunpower Corporation 8. Kyocera Corporation 9. Canadian Solar 10. SolarWorld AG 11. Grand Overon UA
Рис. 1 Блок-схема системы электроснабжения жилого дома от солнечных батарей.
Согласно представленной иллюстрации полезная мощность (и ее смысл) для потребителя зависит от мощности каждого элемента устройства.
Главным ценообразующим фактором солнечной батареи и ее отдельных элементов также является полезная мощность (напряжение и выходной ток).
Большинство солнечных элементов производятся из дорогостоящего кремния. Как следствие, высокая стоимость электроэнергии, производимой солнечными батареями. Однако, возможно все может измениться в будущем. Предполагается, что через 10 лет - энергоресурсы, добытые с помощью солнца, будут продаваться по цене на 50 % ниже добываемой при помощи угля, природного газа и ядерного топлива.
В течение года солнечные батареи теряют до 1,5% своей первоначальной мощности из-за старения кремния. Если при изготовлении солнечной батареи был допущен брак, то он может обнаружиться через несколько месяцев, или даже лет. Именно поэтому не стоит покупать «дешевые» солнечные батареи, потому что они в результате могут оказаться очень дорогостоящими. Тем не менее, мнений и соображений противников и сторонников солнечных батарей очень много, и пожалуй, единственное в чем все противоборствующие стороны солидарны, так это в том, что использование солнечной энергии для альтернативных источников питания устройств весьма оправдано и очень перспективно.
Учитывая относительно небольшую выходную мощность, источник на основе лишь одной солнечной батареи нельзя назвать удовлетворительным. Поэтому, те потребители, кто обладает серьезным финансовым ресурсом, соединяют солнечные батареи в модули, дополняют их устройствами контроля заряда аккумуляторов, мощными преобразователями энергии и в таком виде система может уже обеспечивать бесперебойное энергоснабжение дома (коттеджа), хотя окончательная стоимость соизмерима с несколькими сотнями тысяч рублей.
За источниками альтернативной энергии, безусловно, будущее. Год от года солнечные элементы будут «дешеветь», а их полезная мощность будет повышаться.
Главным же минусом применения солнечной батареи обычно называют зависимость от ее питания - Солнца. Именно поэтому в системе альтернативного источника питания предусмотрена мощная АКБ, которая «отдает» ток в нагрузку в то время, когда солнечная энергия ослабевает, к примеру, ночью.
Немаловажным фактором является и то, что максимальная польза (КПД) солнечной батарей получается тогда, когда солнечные лучи падают на поверхность фотоэлектрических элементов (ФЭЭ) под углом 90°, то есть перпендикулярно. В иных случаях (земля, как известно, постоянно вращается вокруг солнца) при изменении угла падения солнечных лучей и их отражения, эффективность батареи несколько снижается даже в солнечную погоду
В ясную погоду на 1м2 земной поверхности в среднем падает 1000 Вт световой энергии солнца. В зависимости от местности участка земли солнечная энергия поступает неравномерно из-за облачности в пасмурную погоду, есть места, где солнце светит 320-350 дней в году, а есть такие места, где солнца не бывает вообще. Исходя из этого, необходимо рассчитать эффективность их применения в каждом конкретном случае.
В помощь этому ниже в таблице 1 приведены сведения о поступлении солнечной радиации для некоторых городов России. Таблица построена по данным спутников NASA.
На широте Москвы в течение ясного солнечного дня поступает около 3 кВт/час солнечной энергии на 1 м2. В таблице 2 представлены сведения о суммарной солнечной радиации применительно к широтам (по ней можно приблизительно высчитать солнечную энергию в других городах).
Таблица 1. Поступления солнечной радиации, для некоторых городов
Справочная таблица среднемесячной суммарной солнечной радиации, кВт/ч/м2.
|
|
Янв
|
Фев
|
Мар
|
Апр
|
Май
|
Июн
|
Июл
|
Авг
|
Сен
|
Окт
|
Ноя
|
Дек
|
В год
|
*К
|
Москва
|
20,6
|
53
|
108,4
|
127,6
|
166,3
|
163
|
167,7
|
145
|
104,6
|
60,7
|
34,8
|
22
|
1173,7
|
1
|
Воронеж
|
30,7
|
60,1
|
117
|
129
|
169
|
166
|
176
|
151
|
120
|
81,8
|
50,3
|
37,1
|
1245
|
1,06
|
Краснодар
|
42,8
|
77,8
|
127
|
147
|
178
|
171
|
194
|
172
|
148
|
123
|
81,7
|
55,6
|
1433
|
1,22
|
Махачкала
|
48,2
|
77
|
128
|
168
|
200
|
190
|
208
|
196
|
161
|
132
|
93
|
77,2
|
1581
|
1,35
|
Рязань
|
21,2
|
55
|
109
|
130
|
168
|
165
|
169
|
147
|
106
|
62,3
|
35,2
|
23
|
1174
|
1,01
|
*К — коэффициент суммарной солнечной радиации по отношению к г. Москва.
Таблица 2. Суммарная солнечная радиация на разных широтах.
|
Широта, град
|
0
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
60
|
70
|
80
|
90
|
Квт/час/м2
|
5,9
|
5,8
|
5,4
|
4,9
|
3,9
|
3,3
|
2,6
|
1,9
|
1,4
|
1,3
|
|