Солнечные элементы изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время солнечных элементов изготавливается из кремния (химический символ Si).
Солнечные элементы и фотоэлектрические модули для преобразования солнечного света в электричество, типы, устройство, КПД, принцип работы, вольтамперная характеристика, сколько прослужат солнечные батареи.
Солнечные элементы (СЭ) могут быть следующих типов:
— Монокристаллический.
— Поликристаллический.
— Аморфный.
Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные солнечные элементы имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния.
Устройство солнечного элемента.
Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и два слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок. В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные солнечные элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти солнечные элементы в последнее время также коммерчески используются.
КПД солнечных элементов:
— Монокристаллические — 12-15 %
— Поликристаллические—11-14%
— Аморфные — 6-7 %
— Теллурид кадмия — 7-8 %.
Пиковый ватт.
Солнечные элементы производят электричество, когда освещаются светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества. Яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.
Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях. Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ).
Эти условия предполагают:
— Освещенность 1000 Вт/м2.
— Солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света).
— Температура элемента 25 градусов. Это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры.
Пример.
Кристаллические кремниевые солнечные элементы с размерами 10×10 см имеют пиковую мощность примерно 1,5 Wp. Большинство панелей с площадью 1 м2, если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов, имеют номинальную мощность около 100 Вт на пике.
Фотоэлектрические модули.
Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества.
Солнечные панели (также называемые фотоэлектрические или солнечные модули) производятся многих типов и размеров. Наиболее типичные, это кремниевые фотоэлектрические модули мощностью 40—160 Wp (пиковый ватт, т. е. мощностью максимум в 40—160 Вт при ярком солнце). Такой солнечный модуль имеет размер от 0,4 до 1,6 м2. Однако, широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен в продаже.
Солнечные панели (PV panels) могут соединяться между собой в солнечные батареи (arrays) для того, чтобы получить большую мощность. Например, два модуля по 50 Wp, соединенных вместе, эквивалентны модулю мощностью 100 Wp.
КПД доступных в продаже модулей варьируется в пределах 5-15%. Это значит, что 5-15% от количества энергии, падающей на солнечный элемент, будет трансформировано в электричество. Исследовательские лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для СЭ с более высоким КПД (до 30%).
Стоимость производства также очень важна. Некоторые новые технологии (такие как, например, тонкопленочные), позволяют производить солнечные элементы в больших масштабах, что значительно снизит стоимость элементов и модулей.
Сколько прослужат солнечные батареи?
Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10%.
Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет.
Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40% мощности в первые два года эксплуатации. Поэтому, около 90% рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули. Другие компоненты системы имеют различные сроки службы. Аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет, а силовая электроника — от 5 до 20 лет.
Вольтамперная характеристика солнечной батареи.
Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольтамперной характеристике (ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен.
Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (Voc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (Isc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0.
Важные точки вольтамперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль.
На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или МРР). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как Vp (номинальное напряжение) и Iр (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.
Можно найти все эти параметры — (Voc, Isc, МРР, Vp, Iр — на шильдике или прилагаемых к модулю характеристиках. Заметьте, что Vp и Iр также называются номинальными значениями. Однако не рассчитывайте получить номинальную мощность от вашей солнечной батареи.
Почти невозможно, чтобы собранная система работала все время в точке максимальной мощности. Кроме изменений освещенности, на вырабатываемую мощность влияет температура солнечной батареи. Чем выше температура солнечной батареи, тем ниже ее мощность.
По материалам книги «Альтернативные источники энергии и энергосбережение».
