(044) 536-21-39 Контакты

Солнечные электростанции

1.     Солнце – источник возобновляемой энергии

2.     Фотоэлектрический процесс

3.     Фотоэлектрические ячейки

4.     Фотоэлектрические ячейки из монокристаллического кремния

5.     Фотоэлектрические ячейки из поликристаллического кремния

6.     Фотоэлектрические ячейки из аморфного кремния

7.     Модули, фотоэлектрические панели

8.     Фотоэлектрический инвертор

9.   Батареи для фотоэлектрики

 

 

 

1.       Солнце – источник возобновляемой энергии

Испокон веков мы используем энергию «исчерпаемых» источников (например, древесина, уголь, горючее, природный газ), которые предусматривают более длительное их формирование, превышающее фактические рамки потребления, и которые также являются причиной загрязнения окружающей среды.

Современные технологии позволяют добывать энергию из «возобновляемых» источников, которые, по своей природе не являются «исчерпывающимися», имеют незначительное воздействие на окружающую среду и не причиняют вред природным ресурсам грядущих поколений.

Солнце является одним из таких бесконечно возобновляемых источников со степенью воздействия на окружающую среду равной нулю.  Энергия солнца попадающая на земной шар, примерно в 10.000 раз превышает сегодняшнюю мировую потребность в энергии. Однако используемая доля исходящей от Солнца энергии сейчас еще очень мала.

Максимальная мощность солнечного излучения составляет 1.000 ватт на один квадратный метр земной поверхности:

Погода

Ясное синее небо

Переменная облачность

Солнце в виде белого диска

Пасмурный зимний день

1.000 Вт/м2

600 Вт/м2

300 Вт/м2

100 /м2

 

 

2.       Фотоэлектрический процесс

Фотоэлектрические солнечные панели предназначены для прямого преобразования энергии Солнца в электричество. Они состоят из множества солнечных элементов (ячеек), которые изготавливаются из кремния, одного из самых распространенных элементов на земле.

Конструктивно фотоэлектрический солнечный модуль представляет собой электрически соединенные между собой фотоэлементы, имеющие выходные клеммы для подключения нагрузок. Каждый фотоэлемент содержит в себе 2 полупроводниковых слоя: положительный и отрицательный. На один слой кремния наносится определенное вещество, благодаря которому появляется избыток электронов. Так образуется отрицательно заряженный n-слой. На другом слое создается недостаток электронов и он становится положительно заряженным (р-слой). В комбинации с проводниками эти n- и p-поверхности образуют светочувствительный электронно-дырочный переход. При попадании фотона света на фотоэлемент, создается электродвижущая сила (ЭДС), создающая во внешнем контуре направленное движение электронов, то, что мы обычно называем электрическим током.

Сила тока (ампер) пропорциональна световой энергии (количеству фотонов) и размеру солнечного элемента.

Сейчас фотоэлементы изготавливают из самых различных материалов, используя широкий набор технологий и подходов к производству. Однако, принцип их работы, основанный на использовании фотогальванического эффекта – повышении разности потенциалов в полупроводнике с n-p переходом под воздействием квантов солнечного света, остается единым.

Правильно смонтированная солнечная батарея будет надежным, экологически чистым источником энергии в течение долгих лет.

 

 

3.       Фотоэлектрические ячейки

·         Введение

·         Производство фотоэлектрической ячейки

·         Эффективность фотоэлектрической ячейки

·         Кристаллический кремний

 

Введение

cella fotovoltaica in silicio monocristallinoЯчейка представляет собой основу фотоэлектрической панели. Фотоэлектрическая ячейка может реализовываться в различных формах, но зачастую она представляет собой квадрат, даже если состоит из материалов разного типа. Почти 80% ячеек, доступных на рынке, выполнены из монокристаллического или поликристаллического кремния, другие 20% заключают в себе технологию использования аморфного кремния. Фотоэлектрические ячейки состоят из тонких и хрупких кристаллов кремния, поэтому имеют низкую сопротивляемость механическим воздействиям или деформации. Их устанавливают на твердую опорную структуру, чтобы впоследствии соединить ее с другой подобной конструкцией посредством соответствующих  электроподключений, формируя фотоэлектрический модуль.

 

 

Производство фотоэлектрической ячейки

Производство ячейки является очень сложным процессом, краткое описание основных операций которого приведено ниже:

·         Легирование  - это обработка, служащая для улучшения электрических характеристик ячейки с помощью добавления в ячейку атомов фосфора и бора;

·         Структуризация -  увеличение полезной поверхности захвата для увеличения чередующихся отражений;

·         Окрашивание осуществляется исключительно для продуктов, предназначенных для обеспечения архитектурной взаимосвязи.

Эффективность фотоэлектрической ячейки

cella fotovoltaica in silicio policristallinoЭффективность ячейки являет собой соотношение между максимальной полученной мощностью от ячейки и мощностью падающего солнечного света на фронтальную поверхность.

Ячейки из монокристаллического кремния имеют эффективность преобразования около 18%, в то время, как ячейки из поликристаллического кремния – максимум 14%. При лабораторных испытаниях можно получить более высокое значение эффективности, около 24%  для поликристаллических ячеек.

Эффективность фотоэлектрических ячеек из кремния зависит от температуры ячейки. При повышении температуры на поверхности ячейки создается препятствие для прохода электронов полупроводника с последующим ухудшением эксплуатационных качеств фотоэлектрической системы. Поэтому в случае осуществления архитектурного интегрирования, следует предусмотреть воздушный промежуток, который обеспечит проход воздуха через фотоэлектрические панели (например, между крышей и установленными на ней панелями), предотвращая нагревание ячейки и, таким образом, эффективность её работы не снижается.

Кристаллический кремний

Кремний – один из самых используемых полупроводников в производстве фотоэлектрических ячеек.
Основной причиной этого является его неограниченной доступности на земле.

Еще одна сфера, в которой кремний широко используется – электронная индустрия, в которой были проведен ряд экспериментов и испытаний различных методов измельчения/рафинирования, легирования и обработки.  
Размеры скомпонованных ячеек в модули, которые за последние пару лет имели значение 8 см, сейчас же с целью максимизировать активную поверхность, размер достиг значения 10  см для ячеек из монокристаллического кремния и 12-15 см для поликристаллического.

 

4.       Фотоэлектрические ячейки из монокристаллического кремния

pannello fotovoltaico realizzato con celle in silicio monocristallinoФотоэлектрические ячейки из монокристаллического кремния имеют более высокую степень чистоты относительно поликристаллических ячеек, а также располагают большей эффективностью в диапазоне от 14 до 18%, и поэтому являются более дорогостоящими. Ячейки в основном имеют овальную или круглую форму с диаметром 10-12 см или форму восьмиугольника, толщина варьирует от 0,2 до 0,3 мм. Заводы-производители обеспечивают свои изделия гарантией на  срок более 25 лет, даже если средняя продолжительность их жизни может превышать 30 лет.

Данные ячейки в основном применяются для автономных установок (отдельно стоящего оборудования) при малоблагоприятных условиях, поскольку высокоэффективной производительностью ячейки отличаются лишь при малой захватывающей поверхности. Также данные ячейки применяются для электроснабжения водонапорных станций или комбинированно используются для солнечных термосистем. 

 

Изготовление монокристаллических кремниевых  ячеек

по методу Чохральского

Данный метод изготовления предусматривает погружение затравочного кристалла на несколько миллиметров в расплав кремния. Атомы расплава, при контакте с введенным затравочным кристаллом, ориентируются по атомной решетке структуры введенного кремния. Далее следует очень медленный процесс по извлечению монокристаллических гранул из расплавленной массы. Посредством строгого контроля температуры расплавленного материала (чуть выше температуры плавления), атмосферы помещения, и скорости извлечения, а также избегая вибраций любого типа, можно получить однородные расплавленные массы цилиндрической формы с диаметром приблизительно 13 - 20 см и длинной, которая может достигать 200 см. 

Полученные стержни режутся специальным алмазным диском на тонкие слои, называемые «вафля»(wafer), толщиной около 250 - 350 µm, которые будут образовывать опору (подложку). Потом вафли проходят очистку с помощью соды.  После легирования атомами фосфора образуются P-N соединения. Процесс завершается наложением тонкого антиотражающего слоя и выполнением шёлкотрафаретной печати на внешних электрических контактах (металлическая сетка) и задних контактах  (неразрезная металлическая поверхность).

 

5.       Фотоэлектрические ячейки из поликристаллического кремния

Фотоэлектрические ячейки из поликристаллического кремния имеют производительность  до 14%, которая оказывается самой низкой относительно параметров монокристаллических ячеек. Таким образом и цена оказывается пропорционально более низкой.

pannelli fotovoltaici in silicio policristallinoОсновным принципом изготовления этого типа ячеек является повторная обработка электрических компонентов, иначе говоря, так называемых «фрагментов кремния», которые переплавляются, чтобы получить компактную кристаллическую структуру.
                Эти остатки кремния расплавляются внутри тигеля (сосуда для плавления) так, чтобы образовалась однородная субстанция для дальнейшего ее охлаждения и начала процесса кристаллизации. Таким образом, мы получаем брусок, который впоследствии разрезается по вертикали на заготовки прямоугольной формы. После резки получаются изделия подобные тем, что и при резке монокристаллических заготовок. В данном случае вафли аналогично проходят очистку содой и потом подвергаются легированию фосфором для создания Р-N соединений. Далее делают тонкий антиотражающий слой, обеспечивается также шёлкотрафаретная печать электрических (металлическая сетка) и задних контактов (неразрезная металлическая поверхность). 

 

6.       Фотоэлектрические ячейки из аморфного кремния

Альтернативой технологии использования кристаллического кремния является аморфный кремний. 
Производят аморфный кремний посредством наложения слоя кристаллического кремния толщиной 1-2 микрометра на стеклянную или пластиковою поверхность. Производственный процесс аморфного кремния еще не достиг значительной популярности в широком масштабе ввиду некоторых особенностей производства, потому не является особо экономически интересным. В свою очередь солнечные панели с ячейками из аморфного кремния не распространены из-за более высокой стоимости изделий.

 

7.       Модули, фотоэлектрические панели

Фотоэлектрический модуль (панель)  состоит из фотоэлектрических ячеек, электрически соединенных между собой с помощью последовательно-параллельных подключений, для обеспечения желаемых значений напряжения и тока.

Процесс производства фотоэлектрических панелей

Фотоэлектрические ячейки в панели должны быть соединены между собой, причем электрические характеристики соединенных между собой фотоэлементов (ячеек) в панели должны быть одинаковыми, чтобы избежать снижение мощности по причине различающихся между собой характеристик фотоэлементов. После фотоэлектрические ячейки капсулируются между стеклянной пластиной и полимерным материалом, с помощью процесса горячего ламинирования, для дальнейшей их защиты от неблагоприятных погодных условий. Готовые солнечные панели помещаются в пластиковую раму или раму из алюминиевого профиля.

Рама имеет различные преимущества, одним из которых является упрощение установки благодаря наличию специальных отверстий, которые располагаются по краю окантовочной рамы. Также данная рама обеспечивает защиту от различных атмосферных воздействий за счет использованного клеящего вещества - силиконового каучука, которое создает непроницаемый барьер. Также наличие рамы позволяет лучше распределять напряжения по поверхности стекла и по краям модулей, снижая, при этом, вероятность образования надрывов и трещин, и обеспечивая высокую степень прочности.

 

8.       Фотоэлектрический инвертор

·         Что такое инвертор и для чего он нужен?

·         Инвертор для фотоэлектрического оборудования, подключенного к сети

·         Инвертор для автономного отдельно стоящего ФЭ оборудования

 

Что такое инвертор и для чего он нужен?

inverter per il fotovoltaicoИнвертор, также называемый статическим преобразователем, - это устройство, способное преобразовывать постоянный ток,  произведенный ФЭ оборудованием, в переменный ток, при номинальном напряжении 230 V или 400 V в зависимости от наличия монофазного или трехфазного фотоэлектрического оборудования.

Преобразовательные устройства могут быть разделены на две категории:

·         инверторы для параллельной работы с электросетью (для фотоэлектрических установок, подключенных к сети);

·         инверторы для прикладных систем (так называемые автономные установки). 

 

 

Инверторы для ФЭ установок, подключенных к сети

Особенности данных устройств:

·         высокий уровень продуктивности и стабильное функционирование при нормальных условиях солнечного излучения;

·         могут применяться для однофазных и трехфазных потребителей с широким спектром мощностей;

·         интегрированная защита сети и интерфейса;

·         дисплей для вывода данных по производству;

·         дополнительные модули для измерения солнечного излучения, температуры т.п.;

·         дистанционная передача данных для контроля и мониторинга;

·         отсутствие возможности изолированного функционирования (необходимо наличие подключения к сети);

·         технология синусоидальной волны, созданная ссылаясь на напряжение сети.

Инверторы для автономного ФЭ оборудования

За последние годы наблюдается стремительное увеличение спроса на установку инвертора в фотоэлектрические системы для снабжения изолированных потребителей. Основной причиной этому является желание потребителей иметь должный комфорт (например, в горных хижинах).

Основные характеристики:

Инвертор с волной квадратной формы

·         Простая технология;

·         Риск генерирования нечетких гармоник, что может спровоцировать проблемы;

·         Отсутствие возможности регулирования напряжения на выходе (варьируется с нагрузкой или с входящим напряжением).

 

Инвертор с синусоидальной измененной волной

·         Лучшая отдача.

·         Меньше гармоник, чем у предыдущего инвертора.

·         Точная регулировка напряжения.

·         Адаптированы для питания большого количества устройств (ТВ, моторов, пил).

 

Инвертор с синусоидальной волной

·         Более простые контуры\цепи, без защит и синхронизации сети, по сравнению с инверторами, подключенными к сети. В основном технология схожа.

·         Высокая производительность, подходящая практически всем типам потребителей.

 

Важные элементы при выборе инвертора для автономных пользователей

·         Скачки мощности: очень важно для многих пользователей (холодильник, насосы).

·         Гармонические искажения производительности: очень важно контролировать отдачу при низких напряжениях.

·         Потребление и вычисление stand-by (автоматическая система частичного отключения при отсутствии нагрузки).

·         Точное фиксирование напряжения на выходе (% относительно 230 Vac).

 

9.       Батареи для фотоэлектрики

·         Введение

·         Типология батарей

Батареи  являются основным требованием любой системы аккумулирования электроэнергии. Электроэнергия, произведенная ФЭ оборудованием, накапливается в батареях, и чтобы потом, в случае необходимости, быть доступной при отсутствии солнечного излучения.

Батареи (аккумуляторы), необходимые для ФЭ оборудования, отличаются от автомобильных, но несмотря на это, они должны обеспечивать:

 

 

·         низкую саморазрядку (снижение загрузочного времени аккумулятора);

·         высокую производительность (соотношение поставленной энергии с энергией, накопленной батареей);

·         возможность выдерживать много циклов зарядки/разрядки (эффективная долговечность);

·         высокую энергетическая плотность (Вт/час аккумулируемой энергии на каждый метр кубический, или же кг веса батареи);

·         сопротивляемость внешним температурам;

·         отсутствие необходимости обслуживания;

·         низкую стоимость.

Типология батарей

Батарея AGM (Absorbed Glass Mat) – это кислотно-свинцовый аккумулятор, в котором электролит абсорбирован в перегородках, состоящих из стекловолоконной губчатой массы.

Контейнера данных батарей минимизируют утечки газа типичного жидкого электролита, они запечатаны при помощи специальных клапанов давления и внутренней химической реакции "рекомбинации" (VRLA).

Гелевые батареи – это свинцово-кислотные аккумуляторы, в которых электролит не жидкий, как в традиционных батареях, а имеет консистенцию в виде гелеподобного вещества. Данные батареи имеют аналогичное строение с вышеупомянутыми аккумуляторами AGM, и обладают следующими характеристиками и преимуществами:

·         отсутствие необходимости обслуживания (MF – “Maintenance Free” - Без обслуживания);

·         тсутствие необходимости пополнять электролит;

·         отсутствие риска случайного выброса экологически вредных отходов (в виде жидкой кислоты);

·         подходят для установки и функционирования вблизи человека, в электронных аппаратах в любом положении;

·         отсутствие у данных батарей какой-либо пожароопасности.

Кроме того, гелевая структура электролита обеспечивает более высокий уровень защиты пластин во время стадии разрядки, что делает эти батареи особенно подходящими для их применения при очень «глубоких» цикличных разрядках.оследнее время использование солнца для получения электроэнергии становится всё более популярным и доступным. Солнечные электростанции широко применяются для энергообеспечения различных объектов. Это могут быть дачи, пансионаты, промышленные здания и т.д. Солнечные электростанции становятся незаменимыми источниками электроэнергии в труднодоступных местах, куда нецелесообразно прокладывать стационарные линии электропередач. Фотоэлектрические модули могут быть установлены практически везде, начиная с крыши здания и заканчивая специальными поворотными системами на выделенных территориях. Мощностные характеристики электростанций ограничиваются только желанием заказчика и наличием места установки. Это может быть несколько солнечных элементов обеспечивающих работу освещения на даче, а может быть солнечный парк вырабатывающий электроэнергию для Энергорынка.