Solar-Photovoltaik-Konverter. Das Prinzip der Solarbatterie: wie das Solarpanel aufgebaut ist und funktioniert

Solarenergie- die Richtung der nicht-traditionellen Energie, basierend auf der direkten Nutzung der Sonnenstrahlung, um Energie in jeglicher Form zu gewinnen. Solarenergie nutzt eine unerschöpfliche Energiequelle und ist umweltfreundlich, d.h. sie produziert keine schädlichen Abfälle. Die Energiegewinnung aus Solarkraftwerken passt gut zum Konzept der dezentralen Stromerzeugung.

Photovoltaik- ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung lichtempfindlicher Elemente zur Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität.

Solarenergie- eine der Methoden zur praktischen Nutzung einer erneuerbaren Energiequelle - Solarenergie, die verwendet wird, um die Sonnenstrahlung in die Wärme von Wasser oder einem niedrigsiedenden flüssigen Wärmeträger umzuwandeln. Sonnenenergie wird sowohl für die industrielle Stromerzeugung als auch für die Warmwasserbereitung für den Hausgebrauch genutzt.

Solarbatterie- ein allgemeiner Begriff, der in der Umgangssprache oder in der unwissenschaftlichen Presse verwendet wird. Normalerweise bezieht sich der Begriff "Solarbatterie" oder "Solarpanel" auf mehrere kombinierte Photovoltaik-Wandler (Photovoltaikzellen) - Halbleiterbauelemente, die Sonnenenergie direkt in Gleichstrom umwandeln.

Der Begriff "Photovoltaik" bezeichnet den normalen Betriebsmodus einer Photodiode, bei dem der elektrische Strom allein aus der umgewandelten Lichtenergie erzeugt wird. Tatsächlich sind alle photovoltaischen Geräte Varianten von Photodioden.

Photovoltaik-Konverter (FEP)

Bei Photovoltaikanlagen erfolgt die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie in Photovoltaik-Konvertern (PV-Konvertern). Je nach Material, Konstruktion und Herstellungsverfahren ist es üblich, zwischen drei Generationen von FEP zu unterscheiden:

PEC der ersten Generation basierend auf kristallinen Siliziumwafern;

PEC der zweiten Generation auf Basis von Dünnschichten;

FEP der dritten Generation basierend auf organischen und anorganischen Materialien.

Um die Effizienz der solaren Energieumwandlung zu steigern, werden PV-Zellen auf Basis von Kaskaden-Multilayer-Strukturen entwickelt.

FEP der ersten Generation

PECs der ersten Generation auf Basis von Kristallplatten sind heute am weitesten verbreitet. In den letzten zwei Jahren ist es den Herstellern gelungen, die Produktionskosten solcher PVCs zu senken, was ihre Position auf dem Weltmarkt gestärkt hat.

Arten von FEP der ersten Generation:

monokristallines Silizium (mc-Si),

polykristallines Silizium (m-Si),

basierend auf GaAs,

Ribbon-Technologien (EFG, S-web),

Dünnschicht-Polysilizium (Apex).

FEP der zweiten Generation

Die Technologie zur Herstellung von Dünnschicht-PVCs der zweiten Generation beinhaltet die Abscheidung von Schichten im Vakuumverfahren. Die Vakuumtechnologie ist im Vergleich zur Technologie zur Herstellung von kristallinem PVC weniger energieaufwendig und zeichnet sich zudem durch ein geringeres Investitionsvolumen aus. Es ermöglicht die Herstellung flexibler, kostengünstiger PVCs mit großer Fläche, jedoch ist der Umwandlungskoeffizient solcher Elemente im Vergleich zu PVCs der ersten Generation niedriger.

Arten von FEP der zweiten Generation:

amorphes Silizium (a-Si),

Mikro- und Nanosilizium (μc-Si / nc-Si),

Silizium auf Glas (CSG),

Cadmiumtellurid (CdTe),

(di) Kupfer- (Indium-) Galliumselenid (CI (G) S).

FEP der dritten Generation

Die Idee, eine Solarzelle der dritten Generation zu schaffen, bestand darin, die Kosten einer Solarzelle weiter zu senken, auf teure und giftige Materialien zu verzichten zugunsten billiger und recycelbarer Polymere und Elektrolyte. Ein wichtiger Unterschied ist auch die Möglichkeit, Schichten durch Druckverfahren aufzubringen.

Derzeit befindet sich der Großteil der Projekte im Bereich der PV-Zellen der dritten Generation im Forschungsstadium.

Arten von FEP der dritten Generation:

Farbstoff photosensibilisiert (DSC),

organisch (OPV),

anorganisch (CTZSS).

Installation und Verwendung

FEPs werden zu Modulen zusammengebaut, die über standardisierte Montageabmessungen, elektrische Parameter und Zuverlässigkeitsindikatoren verfügen. Für die Installation und Übertragung von Strom werden Solarmodule mit Wechselrichtern, Batterien und anderen Elementen der elektrischen und mechanischen Teilsysteme ausgestattet.

Je nach Anwendungsgebiet werden folgende Arten von Solaranlageninstallationen unterschieden:

private Kleinkraftwerke auf Hausdächern;

kleine und mittelgroße Gewerbeanlagen sowohl auf Dächern als auch auf dem Boden;

industrielle Solarstationen, die viele Verbraucher mit Strom versorgen.

Die Höchstwerte der Effizienz von Fotozellen und Modulen, die unter Laborbedingungen erreicht werden

Faktoren, die die Effizienz von Fotozellen beeinflussen

Aus den Leistungsmerkmalen des Photovoltaikmoduls ist ersichtlich, dass die richtige Auswahl des Lastwiderstands erforderlich ist, um den höchsten Wirkungsgrad zu erzielen. Dazu werden die Photovoltaik-Paneele nicht direkt an die Last angeschlossen, sondern eine Photovoltaik-Anlagensteuerung verwendet, die für den optimalen Betrieb der Paneele sorgt.

Produktion

Sehr oft produzieren einzelne Fotozellen nicht genug Leistung. Dazu wird eine bestimmte Anzahl von PV-Zellen zu sogenannten Photovoltaik-Solarmodulen zusammengefasst und zwischen den Glasplatten eine Verstärkung angebracht. Dieser Build kann vollständig automatisiert werden.

Vorteile

Die allgemeine Verfügbarkeit und Unerschöpflichkeit der Quelle.

Sicher für die Umwelt - obwohl die Möglichkeit besteht, dass die weit verbreitete Einführung von Sonnenenergie die Albedo (eine Eigenschaft der Reflexionsfähigkeit (Streufähigkeit) der Erdoberfläche) verändern und zu einem Klimawandel führen könnte (jedoch bei dem aktuellen Energieniveau) Verbrauch, dies ist äußerst unwahrscheinlich).

Nachteile

Abhängigkeit von Wetter und Tageszeit.

Der Bedarf an Energiespeichern.

In der industriellen Produktion - die Notwendigkeit, Solarkraftwerke mit wendigen Kraftwerken vergleichbarer Leistung zu duplizieren.

Die hohen Baukosten, die mit der Verwendung seltener Elemente (z. B. Indium und Tellur) verbunden sind.

Die Notwendigkeit einer regelmäßigen Reinigung der reflektierenden Oberfläche von Staub.

Erwärmung der Atmosphäre über dem Kraftwerk.

Die Umwandlungseffizienz hängt von den elektrophysikalischen Eigenschaften der inhomogenen Halbleiterstruktur sowie den optischen Eigenschaften des PVC ab, unter denen die Photoleitfähigkeit die wichtigste Rolle spielt. Sie wird durch das Phänomen des internen photoelektrischen Effekts in Halbleitern verursacht, wenn diese mit Sonnenlicht bestrahlt werden.

Die wichtigsten irreversiblen Energieverluste in PVC sind verbunden mit:

Reflexion der Sonnenstrahlung von der Oberfläche des Wandlers,

der Durchgang eines Teils der Strahlung durch das PVC ohne Absorption darin,

Streuung überschüssiger Photonenenergie an thermischen Schwingungen des Gitters,

durch Rekombination der gebildeten Photopaare auf den Oberflächen und im Volumen des PVC,

Innenwiderstand des Wandlers usw.

Die photoelektrische Methode zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie basiert auf dem Phänomen des photoelektrischen Effekts - der Freisetzung von Leitungselektronen im Strahlungsempfänger unter dem Einfluss von Sonnenstrahlungsquanten.

Dieser Effekt wird in Halbleitermaterialien genutzt, bei denen die Energie von Strahlungsquanten hn erstellt zum Beispiel auf P–n-Übergangsphotostrom

Wenn=eN e,

wo N e- die Anzahl der Elektronen, die am Übergang eine Potentialdifferenz erzeugen, wodurch ein Leckstrom am Übergang in die entgegengesetzte Richtung fließt ich gleich dem Photostrom, der konstant ist.

Energieverluste bei der photoelektrischen Umwandlung sind auf die unvollständige Nutzung von Photonen sowie auf Streuung, Widerstand und Rekombination bereits entstandener Leitungselektronen zurückzuführen.

Die gebräuchlichste kommerzielle Solarzelle (Solarzelle) ist die Siliziumwaferzelle. Es gibt auch andere Typen und Designs, die entwickelt werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern und die Kosten von Solarzellen zu senken.

Die Dicke einer Solarzelle hängt von ihrer Fähigkeit ab, Sonnenstrahlung zu absorbieren. Halbleitermaterialien wie Silizium, Galliumarsenid etc. werden verwendet, weil sie die Sonnenstrahlung mit ausreichend langer Wellenlänge zu absorbieren beginnen und einen erheblichen Teil davon in Strom umwandeln können. Die Absorption der Sonnenstrahlung durch verschiedene Halbleitermaterialien erreicht den höchsten Wert, wenn die Dicke der Platten 100 bis 1 Mikrometer oder weniger beträgt.

Durch die Verringerung der Dicke der Solarzelle können der Materialverbrauch und die Herstellungskosten erheblich gesenkt werden.

Unterschiede im Absorptionsvermögen von Halbleitermaterialien werden durch Unterschiede in ihrer atomaren Struktur erklärt.

Die Effizienz der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom ist nicht hoch. Für Feuersteinelemente nicht mehr als 12 ... 14%.

Um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen, werden auf der Vorderseite der Solarzelle Antireflexbeschichtungen verwendet. Dadurch steigt der Anteil der transmittierten Sonnenstrahlung. Unbeschichtete Elemente haben eine Rückflussdämpfung von bis zu 30%.

In letzter Zeit wurden eine Reihe neuer Materialien für die Herstellung von Solarzellen verwendet. Eines davon ist amorphes Silizium, das im Gegensatz zu kristallinem Silizium keine regelmäßige Struktur aufweist. Bei einer amorphen Struktur ist die Wahrscheinlichkeit der Photonenabsorption und des Übergangs in das Leitungsband höher. Daher hat es eine große Saugfähigkeit. Galliumarsenid (GaAs) wird ebenfalls verwendet. Der theoretische Wirkungsgrad von GaAs-basierten Elementen kann 25 % erreichen, reale Elemente haben einen Wirkungsgrad von etwa 16 %.

Die Dünnschicht-Solarzellentechnologie wird entwickelt. Trotz der Tatsache, dass die Effizienz dieser Elemente unter Laborbedingungen 16% nicht überschreitet, haben sie geringere Kosten. Dies ist besonders wertvoll, um Kosten und Materialverbrauch in der Massenproduktion zu reduzieren. In den USA und Japan werden Dünnschichtelemente auf amorphem Silizium mit einer Fläche von 0,1 ... 0,4 m 2 mit einem Wirkungsgrad von 8 ... 9% hergestellt. Die gebräuchlichste Dünnschichtsolarzelle sind Cadmiumsulfid (CdS)-Zellen mit einem Wirkungsgrad von 10 %.

Ein weiterer Fortschritt in der Dünnschicht-Solarzellentechnologie ist die Herstellung von Mehrschichtzellen. Sie ermöglichen es Ihnen, den größten Teil des Sonnenspektrums abzudecken.

Das aktive Material einer Solarzelle ist recht teuer. Zur effizienteren Nutzung wird die Sonnenstrahlung mit konzentrierenden Systemen auf der Oberfläche der Solarzelle gesammelt (Abb. 2.7).

Bei einer Erhöhung des Strahlungsflusses verschlechtern sich die Eigenschaften des Elements nicht, wenn seine Temperatur durch aktive oder passive Kühlung auf dem Niveau der Umgebungslufttemperatur gehalten wird.

Es gibt eine Vielzahl von konzentrierenden Systemen, die auf Linsen (meist flache Fresnel-Linsen), Spiegeln, Totalreflexionsprismen usw. basieren. Bei sehr ungleichmäßiger Bestrahlung von Solarzellen oder Modulen kann dies zur Zerstörung der Solarzelle führen.

Der Einsatz von konzentrierenden Systemen kann die Kosten von Solarkraftwerken senken, da konzentrierende Zellen billiger sind als Solarzellen.

Als die Preise für Solarzellen sanken, wurde es möglich, große Photovoltaikanlagen zu bauen. Bis 1984 wurden in den USA, Italien, Japan, Saudi-Arabien und Deutschland 14 relativ große Solarkraftwerke mit einer Leistung von 200 kW bis 7 MW gebaut.

Eine Photovoltaikanlage hat eine Reihe von Vorteilen. Es verwendet eine saubere und unerschöpfliche Energiequelle, hat keine beweglichen Teile und erfordert daher keine ständige Überwachung durch das Wartungspersonal. Solarzellen können in Massenserie hergestellt werden, was zu einer Senkung ihrer Kosten führt.

Sonnenkollektoren werden aus Solarmodulen zusammengebaut. Gleichzeitig gibt es eine große Auswahl an Typen und Größen dieser Geräte bei gleicher Energieumwandlungseffizienz und gleicher Produktionstechnologie.

Da die Bereitstellung von Solarenergie periodisch erfolgt, ist es am sinnvollsten, Photovoltaikanlagen in Hybridkraftwerke einzubinden, die sowohl Sonnenenergie als auch Erdgas nutzen. An diesen Stationen kann eine neue Generation von Gasturbinen eingesetzt werden. Hybride Kleinkraftwerke, bestehend aus Photovoltaikmodulen und Dieselgeneratoren, sind bereits zuverlässige Energielieferanten.

Feierabend -

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Gezeiten sind das Ergebnis der Gravitationswechselwirkung der Erde mit Mond und Sonne. Die Gezeitenkraft des Mondes an einem bestimmten Punkt der Erdoberfläche ist definiert als die Differenz des lokalen Wertes der Anziehungskraft

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Das bei Flut ansteigende Wasser kann durch einen Damm vom Meer getrennt werden. Das Ergebnis ist ein Gezeitenbecken. Die maximale Leistung, die durch Eingeben erreicht werden kann

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Aus Meereswellen kann eine große Menge Energie gewonnen werden. Die von Wellen in tiefem Wasser getragene Leistung ist proportional zum Quadrat ihrer Amplitude und Periode. Am interessantesten sind die langärmeligen

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Die gesamte Wasserfläche des Weltozeans wird von Oberflächen- und Tiefenströmungen durchzogen. Der Vorrat an kinetischer Energie dieser Ströme beträgt etwa 7,2 ∙ 1012 kW h / Jahr. Diese Energie mit der Hilfe

Thermische Energieressourcen des Ozeans
Die Ozeane sind ein natürlicher Akkumulator für Sonnenenergie. In tropischen Meeren hat die mehrere Meter dicke obere Wasserschicht eine Temperatur von 25 ... 30 ° C. In 1000 m Tiefe beträgt die Wassertemperatur

Ozeanthermische Kraftwerke
Es werden verschiedene Arten von Geräten vorgeschlagen, um die Energie von Temperaturunterschieden im Ozean umzuwandeln. Von größtem Interesse ist die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mittels Thermodynamik

Biomasse-Ressourcen
Der Begriff „Biomasse“ bezeichnet organische Stoffe pflanzlichen oder tierischen Ursprungs, die zur Gewinnung von Energie oder technisch sinnvollen Brennstoffen verwendet werden können

Thermochemische Umwandlung von Biomasse (Verbrennung, Pyrolyse, Vergasung)
Eine der Hauptnutzungsrichtungen von Holzabfällen ist ihre Verwendung zur Gewinnung von Wärme und elektrischer Energie. Die wichtigsten Technologien zur Energiegewinnung aus Holzabfällen sind

Biotechnologische Biomasseumwandlung
Bei der biotechnologischen Umwandlung werden verschiedene organische Abfälle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von mindestens 75 % verwendet. Die biologische Umwandlung von Biomasse entwickelt sich in zwei Hauptrichtungen: 1) Bauernhof

Ökologische Probleme der Bioenergie
Bioenergieanlagen tragen dazu bei, die Belastung der Umwelt mit Abfällen aller Art zu reduzieren. Die anaerobe Fermentation ist nicht nur ein wirksames Mittel zur Verwertung tierischer Abfälle

Eigenschaften von Siedlungsabfällen (MSW)
Hunderttausende Tonnen Hausmüll fallen jedes Jahr auf städtischen Mülldeponien an. Der spezifische Jahresausstoß an festen Abfällen pro Einwohner einer modernen Stadt beträgt 250 ... 700 kg. In entwickelten Ländern beträgt dieser Wert e

Recycling fester Abfälle auf Deponien
Derzeit werden feste Siedlungsabfälle in der Regel in der Erwartung einer anschließenden Mineralisierung zur Einlagerung auf Deponien gebracht. Es ist wünschenswert, dass feste Abfälle vor dem Vergraben gepresst werden. Es wird nicht nur abgesenkt

Kompostierung von festen Abfällen
Die zweite Verwertungsrichtung fester Abfälle ist die Verarbeitung zu organischem Dünger (Kompost). Bis zu 60 % der Gesamtmasse des Hausmülls können kompostiert werden. Der Kompostierungsprozess wird rotiert

Verbrennung von festen Abfällen in speziellen Verbrennungsanlagen
In wirtschaftlich entwickelten Ländern werden immer mehr feste Abfälle industriell verarbeitet. Die effektivste davon ist thermisch. Es ermöglicht Ihnen, den Abfall um fast das Zehnfache zu reduzieren

Arten von Photovoltaik-Konvertern

Die energieeffizientesten Geräte zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie (da es sich um eine direkte, einstufige Energieübertragung handelt) sind Halbleiter-Photovoltaikwandler (PEC). Bei einer Gleichgewichtstemperatur in der Größenordnung von 300-350 Kelvin und T der Sonne ~ 6000 K, die für PVCs charakteristisch ist, beträgt ihr theoretischer Grenzwirkungsgrad > 90%. Dies bedeutet, dass durch die Optimierung des Aufbaus und der Parameter des Konverters mit dem Ziel, irreversible Energieverluste zu reduzieren, der praktische Wirkungsgrad durchaus auf 50 % oder mehr erhöht werden kann (in Labors wurde bereits ein Wirkungsgrad von 40 % erreicht) erreicht).

Theoretische Forschung und praktische Entwicklung auf dem Gebiet der photoelektrischen Umwandlung von Solarenergie haben die Möglichkeit bestätigt, mit PV so hohe Wirkungsgrade zu realisieren, und die wichtigsten Wege aufgezeigt, um dieses Ziel zu erreichen.

Die Energieumwandlung in PVC basiert auf dem photovoltaischen Effekt, der in inhomogenen Halbleiterstrukturen bei Sonneneinstrahlung auftritt. Die Inhomogenität der PVC-Struktur kann durch Dotieren desselben Halbleiters mit unterschiedlichen Verunreinigungen (Erzeugen von p - n-Übergängen) oder durch Kombinieren verschiedener Halbleiter mit einer ungleichen Energielücke-Energie der Elektronenablösung von einem Atom (Erzeugung von Heteroübergängen) oder durch Ändern die chemische Zusammensetzung des Halbleiters, was zum Auftreten eines Gradienten der Bandlücke führt (die Bildung von gradierten Lückenstrukturen). Auch verschiedene Kombinationen der obigen Verfahren sind möglich. Die Umwandlungseffizienz hängt von den elektrophysikalischen Eigenschaften der inhomogenen Halbleiterstruktur sowie den optischen Eigenschaften von PVC ab, unter denen die Photoleitfähigkeit aufgrund des Phänomens des internen photoelektrischen Effekts in Halbleitern bei Bestrahlung mit die wichtigste Rolle spielt Sonnenlicht. Das Funktionsprinzip von PVC lässt sich am Beispiel von Wandlern mit p-n-Übergang erklären, die in der modernen Solar- und Weltraumenergie weit verbreitet sind. Ein Elektron-Loch-Übergang wird durch Dotieren einer Platte aus einem monokristallinen Halbleitermaterial mit einem bestimmten Leitfähigkeitstyp (dh entweder p- oder n-Typ) mit einer Verunreinigung erzeugt, die die Erzeugung einer Oberflächenschicht mit dem entgegengesetzten Typ von . gewährleistet Leitfähigkeit.

Die Konzentration des Dotierstoffes in dieser Schicht muss deutlich höher sein als die Konzentration der Verunreinigung im Basismaterial (ursprünglicher Einkristall), um die dort vorhandenen Hauptladungsträger zu neutralisieren und eine Leitfähigkeit mit entgegengesetztem Vorzeichen zu erzeugen. An der Grenze der n- und p-Schicht bilden sich durch Ladungsfluss Verarmungszonen mit unkompensierter positiver Volumenladung in der n-Schicht und negativer Volumenladung in der p-Schicht. Zusammen bilden diese Zonen einen p-n-Übergang. Die am Übergang entstehende Potentialbarriere (Kontaktpotentialdifferenz) verhindert den Durchgang der Majoritätsladungsträger, d.h. Elektronen von der Seite der p-Schicht, aber Minoritätsträger passieren frei in entgegengesetzte Richtungen. Es ist diese Eigenschaft von p-n-Übergängen, die die Möglichkeit bestimmt, eine Photo-EMK durch Bestrahlung eines PVC mit Sonnenlicht zu erhalten. Die durch Licht in beiden PVC-Schichten erzeugten Nichtgleichgewichtsladungsträger (Elektronen-Loch-Paare) werden am p-n-Übergang getrennt: Minoritätsträger (d. h. Elektronen) passieren ungehindert den Übergang, während die Hauptträger (Löcher) verzögert werden. Somit fließt unter Einwirkung von Sonnenstrahlung ein Strom von Nichtgleichgewichts-Minoritätsladungsträgern, Photoelektronen und Photolöchern in beide Richtungen durch den p-n-Übergang, was genau das ist, was für den Betrieb der PVC benötigt wird. Wenn wir nun den externen Stromkreis schließen, kehren die Elektronen aus der n-Schicht, nachdem sie an der Last gearbeitet haben, zur p-Schicht zurück und rekombinieren (kombinieren) dort mit Löchern, die sich im PVC in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur des PVC befindet sich ein Kontaktsystem zum Auffangen und Abführen von Elektronen in den äußeren Stromkreis. Auf der vorderen, beleuchteten Fläche des Konverters sind die Kontakte raster- oder kammförmig ausgeführt, auf der Rückseite können sie massiv sein.

Die wichtigsten irreversiblen Energieverluste in PVC sind verbunden mit:

• Reflexion der Sonnenstrahlung von der Oberfläche des Wandlers,
• der Durchgang eines Teils der Strahlung durch das PVC ohne Absorption darin,
• Streuung überschüssiger Photonenenergie an thermischen Schwingungen des Gitters,
• durch Rekombination der gebildeten Photoelemente auf den Oberflächen und im Volumen des PVC,
• Innenwiderstand des Wandlers,
• und einige andere physikalische Prozesse.

Um alle Arten von Energieverlusten im FEP zu reduzieren, werden verschiedene Maßnahmen entwickelt und erfolgreich angewendet. Diese beinhalten:

• die Verwendung von Halbleitern mit einer optimalen Bandlücke für Sonnenstrahlung;
• gezielte Verbesserung der Eigenschaften einer Halbleiterstruktur durch deren optimale Dotierung und Erzeugung eingebauter elektrischer Felder;
• Übergang von homogenen zu heterogenen und gradierten Gap-Halbleiterstrukturen;
• Optimierung der Designparameter des PVC (Tiefe des p-n-Übergangs, Dicke der Basisschicht, Frequenz des Kontaktgitters usw.);
• die Verwendung von multifunktionalen optischen Beschichtungen, die Antireflexion, thermische Kontrolle und Schutz von Solarzellen vor kosmischer Strahlung bieten;
• Entwicklung von PVCs, die im langwelligen Bereich des Sonnenspektrums jenseits des Randes der Hauptabsorptionsbande transparent sind;
• herstellung von Kaskaden-PVCs aus Halbleitern, die speziell für die Breite der verbotenen Zone ausgewählt wurden, die es ermöglichen, Strahlung in jeder Kaskade umzuwandeln, die die vorherige Kaskade durchlaufen hat usw .;

Auch wurde eine deutliche Effizienzsteigerung von PVC durch die Schaffung von Konvertern mit zweiseitiger Empfindlichkeit (bis zu +80% zum bereits vorhandenen Wirkungsgrad einer Seite), die Verwendung von lumineszierenden reemittierenden Strukturen, die Vorzersetzung der Solar Spektrum in zwei oder mehr Spektralbereiche unter Verwendung von mehrschichtigen Filmstrahlteilern (dichroitischen Spiegeln) mit anschließender Transformation jedes Teils des Spektrums durch eine separate PVC usw.

In den Energieumwandlungssystemen von SES (Solarkraftwerken) können prinzipiell alle derzeit entstehenden und in Entwicklung befindlichen Arten von PV-Zellen unterschiedlicher Struktur auf Basis verschiedener Halbleitermaterialien eingesetzt werden, die jedoch nicht alle die Anforderungen erfüllen: Anforderungen an diese Systeme:

• hohe Zuverlässigkeit mit einer langen (jahrzehntelangen!) Arbeitsressource;
• die Verfügbarkeit von Rohstoffen in ausreichender Menge für die Herstellung von Elementen des Transformationssystems und die Möglichkeit, ihre Massenproduktion zu organisieren;
• akzeptable Energiekosten im Hinblick auf Amortisationszeiten für die Schaffung eines Transformationssystems;
• der minimale Energie- und Massenverbrauch, der mit der Steuerung des Energieumwandlungs- und Übertragungssystems (Raum) verbunden ist, einschließlich der Ausrichtung und Stabilisierung der gesamten Station;
• einfache Wartung.

So sind beispielsweise einige vielversprechende Materialien aufgrund der begrenzten natürlichen Rohstoffreserven und der Komplexität ihrer Verarbeitung nur schwer in den für die Erzeugung von SES notwendigen Mengen zu erhalten. Bestimmte Methoden zur Verbesserung der Energie- und Betriebseigenschaften von PVC, beispielsweise durch Schaffung komplexer Strukturen, sind mit den Möglichkeiten einer kostengünstigen Massenproduktion usw. Eine hohe Produktivität kann nur mit der Organisation einer vollautomatisierten Produktion von FEP, beispielsweise auf Basis der Bandtechnologie, und der Schaffung eines entwickelten Netzwerks von spezialisierten Unternehmen des entsprechenden Profils, d.h. tatsächlich eine ganze Industrie, deren Größe der modernen Radioelektronikindustrie entspricht. Die Herstellung von Solarzellen und die Montage von Solarzellen auf automatisierten Linien werden die Kosten eines Batteriemoduls um das 2- bis 2,5-fache reduzieren.

Silizium und Galliumarsenid (GaAs) gelten derzeit als die wahrscheinlichsten Materialien für Photovoltaikanlagen zur Umwandlung von Solarenergie SES, und im letzteren Fall sprechen wir von heterophotovoltaischen Wandlern (HFP) mit der AlGaAs-GaAs-Struktur.

PVCs (Photovoltaikwandler) auf Basis einer Verbindung von Arsen mit Gallium (GaAs) haben bekanntlich einen höheren theoretischen Wirkungsgrad als Silizium-PVCs, da ihre Bandlücke praktisch mit der optimalen Bandlücke für Halbleiter-Solarenergiewandler = 1 , 4 eV übereinstimmt. Für Silizium ist dieser Index = 1,1 eV.

Aufgrund der höheren Absorption der Sonnenstrahlung, die durch direkte optische Übergänge in GaAs bestimmt wird, kann eine hohe Effizienz von darauf basierenden PVCs bei einer viel geringeren Dicke von PVC im Vergleich zu Silizium erreicht werden. Im Prinzip reicht es aus, eine HFP-Dicke von 5-6 Mikrometern zu haben, um eine Effizienz in der Größenordnung von mindestens 20% zu erreichen, während die Dicke von Siliziumelementen nicht weniger als 50-100 Mikrometer betragen kann, ohne dass ihre Effizienz merklich verringert wird . Dieser Umstand macht es möglich, mit der Erzeugung von Leichtfilm-HFP zu rechnen, für dessen Herstellung relativ wenig Ausgangsmaterial benötigt wird, insbesondere wenn nicht GaAs als Substrat verwendet werden kann, sondern ein anderes Material, beispielsweise synthetischer Saphir ( Al2O3).

HFPs weisen auch im Hinblick auf die Anforderungen an SES-Konverter im Vergleich zu Silizium-PVCs günstigere Betriebseigenschaften auf. So ermöglicht es insbesondere die Möglichkeit, aufgrund der großen Bandlücke kleine Anfangswerte der Rückwärtssättigungsströme in pn-Übergängen zu erreichen, den Wert negativer Temperaturgradienten des Wirkungsgrades und der optimalen HPP-Leistung zu minimieren und darüber hinaus den Bereich der linearen Abhängigkeit der letzteren von der Lichtstromdichte deutlich zu erweitern ... Die experimentellen Abhängigkeiten des Wirkungsgrades von HFP von der Temperatur zeigen, dass eine Erhöhung der Gleichgewichtstemperatur des letzteren auf 150-180 ° C nicht zu einer signifikanten Abnahme seines Wirkungsgrades und seiner optimalen spezifischen Leistung führt. Gleichzeitig ist für Silikon-PVCs eine Temperaturerhöhung über 60-70 °C fast kritisch - der Wirkungsgrad sinkt um die Hälfte.

Galliumarsenid-Solarzellen ermöglichen aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit den Einsatz von Solarstrahlungskonzentratoren. Die Arbeitstemperatur von HFP auf GaAs erreicht 180 ° C, was für Wärmekraftmaschinen und Dampfturbinen bereits ziemliche Arbeitstemperaturen sind. Somit können wir zu dem intrinsischen Wirkungsgrad von 30 % von Galliumarsenid HFP (bei 150 ° C) den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine hinzufügen, die die Abwärme der Flüssigkeitskühlung der Fotozellen nutzt. Daher kann der Gesamtwirkungsgrad der Anlage, die auch den dritten Zyklus der Niedertemperatur-Wärmeentnahme aus dem Kühlmittel nach der Turbine zur Raumheizung nutzt, sogar über 50-60% liegen.

Außerdem unterliegen GaAs-basierte HFPs aufgrund der hohen Lichtabsorption in GaAs sowie der geringen erforderlichen Werte der Lebensdauer und Diffusionslänge von Minoritätsträgern. Darüber hinaus haben Experimente gezeigt, dass ein erheblicher Teil der Strahlungsdefekte in HFP auf Basis von GaAs nach ihrer Wärmebehandlung (Annealing) bei einer Temperatur von nur etwa 150-180°C verschwindet. Wenn GaAs-HKWs konstant bei einer Temperatur von etwa 150 ° C betrieben werden, wird der Strahlungsverlust ihres Wirkungsgrades während der gesamten aktiven Betriebszeit der Stationen relativ gering sein (dies gilt insbesondere für Weltraum-Solarkraftwerke, z welches geringe Gewicht und Größe von PVCs und eine hohe Effizienz wichtig sind) ...

Im Allgemeinen können wir den Schluss ziehen, dass die Energie-, Masse- und Betriebseigenschaften von HFP auf Basis von GaAs besser mit den Anforderungen von SES und SCES (Weltraum) übereinstimmen als mit den Eigenschaften von Silizium-PVCs. Silizium ist jedoch ein viel leichter verfügbares und weit verbreitetes Material in der Produktion als Galliumarsenid. Silizium ist in der Natur weit verbreitet und das Angebot an Rohstoffen für die Herstellung von PVC auf seiner Basis ist praktisch unbegrenzt. Die Technologie zur Herstellung von Silizium-Solarzellen ist gut entwickelt und wird ständig verbessert. Bei der Einführung neuer automatisierter Produktionsverfahren, die es insbesondere ermöglichen, Siliziumbändchen, großflächige Solarzellen etc.

Die Preise für Silizium-Photovoltaikbatterien sind über 25 Jahre 20-30-mal von 70-100 US-Dollar / Watt in den 70er Jahren auf 3,5 US-Dollar / Watt im Jahr 2000 gefallen und sinken weiter. Im Westen wird eine Revolution im Energiesektor erwartet, wenn der Preis die 3-Dollar-Marke überschreitet. Nach einigen Berechnungen kann dies bereits im Jahr 2002 geschehen, aber für Russland mit den aktuellen Energietarifen wird dieser Moment kommen, wenn der Preis von 1 Watt SB 0,3-0,5 USD beträgt, dh zu einem um eine Größenordnung niedrigeren Preis. Zusammengenommen spielen sie eine Rolle: Zölle, Klima, geografische Breiten, staatliche Preisbildungsfähigkeit und langfristige Investitionen. In tatsächlich arbeitenden Strukturen mit Heteroübergang erreicht der Wirkungsgrad heute mehr als 30% und in homogenen Halbleitern wie monokristallinem Silizium bis zu 18%. Der durchschnittliche Wirkungsgrad von Solarzellen auf Basis von monokristallinem Silizium beträgt heute etwa 12%, obwohl er 18% erreicht. Es sind im Grunde Silizium-SBs, die heute auf den Dächern von Häusern auf der ganzen Welt zu sehen sind.

Im Gegensatz zu Silizium ist Gallium ein sehr knappes Material, was die Möglichkeiten zur Herstellung von HFPs auf Basis von GaAs in Mengen einschränkt, die für eine breite Verbreitung erforderlich sind.

Gallium wird hauptsächlich aus Bauxit gewonnen, es wird aber auch die Möglichkeit erwogen, es aus Kohlenasche und Meerwasser zu gewinnen. Die größten Galliumreserven befinden sich im Meerwasser, aber die Konzentration dort ist sehr gering, die Gewinnungsrate wird auf nur 1 % geschätzt und daher sind die Produktionskosten wahrscheinlich unerschwinglich. Die Technologie zur Herstellung von HFP auf Basis von GaAs mittels Flüssig- und Gasepitaxie (orientiertes Wachstum eines Einkristalls auf der Oberfläche eines anderen (auf einem Substrat)) ist noch nicht so weit entwickelt wie die Technologie zur Herstellung von Silizium PVC, und infolgedessen sind die Kosten für HFP jetzt (nach Bestellungen) deutlich höher als die Kosten für PVC aus Silikon.

In Raumfahrzeugen, wo Solarbatterien die Hauptstromquelle sind und wo klare Verhältnisse von Masse, Größe und Wirkungsgrad sehr wichtig sind, das Hauptmaterial für die Sonne. die Batterie ist natürlich Galliumarsenid. Sehr wichtig für den Weltraum-SES ist die Fähigkeit dieser Verbindung in PVCs, bei Erwärmung durch 3-5-fach konzentrierte Sonnenstrahlung nicht an Effizienz zu verlieren, was entsprechend den Bedarf an Galliummangel reduziert. Eine zusätzliche Reserve zur Einsparung von Gallium ist mit der Verwendung von synthetischem Saphir (Al2O3) anstelle von GaAs als HFP-Substrat verbunden.

Die Kosten von HFPs in ihrer Massenproduktion basierend auf der verbesserten Technologie werden wahrscheinlich auch erheblich gesenkt werden, und im Allgemeinen können die Kosten des Umwandlungssystems des Leistungsumwandlungssystems der SES auf der Basis von HFP aus GaAs durchaus mit den Kosten vergleichbar sein des Systems auf Siliziumbasis. Daher ist es derzeit schwierig, einem der beiden betrachteten Halbleitermaterialien – Silizium oder Galliumarsenid – eine eindeutige Präferenz zu geben, und erst die Weiterentwicklung ihrer Produktionstechnologie wird zeigen, welche Option für terrestrische und Weltraumsolar rationeller ist Energieingenieure bzw. Soweit SBs Gleichstrom abgeben, stellt sich die Aufgabe, diesen in einen industriellen Wechselstrom von 50 Hz, 220 V umzuwandeln. Eine spezielle Geräteklasse - Wechselrichter - bewältigt diese Aufgabe perfekt.

Berechnung der Photovoltaikanlage.

Die Energie von Solarzellen kann wie die Energie anderer Stromquellen genutzt werden, mit dem Unterschied, dass Solarzellen keine Angst vor Kurzschlüssen haben. Jeder von ihnen ist so konzipiert, dass er bei einer bestimmten Spannung eine bestimmte Stromstärke aufrechterhält. Im Gegensatz zu anderen Stromquellen hängen die Eigenschaften einer Solarzelle jedoch von der Lichtmenge ab, die auf ihre Oberfläche fällt. Beispielsweise kann eine ankommende Wolke die Ausgangsleistung um mehr als 50 % reduzieren. Darüber hinaus führen Abweichungen in den technologischen Modi zu einer Streuung der Ausgabeparameter der Elemente einer Charge. Folglich führt der Wunsch, die Effizienz von Photovoltaik-Konvertern zu maximieren, zu der Notwendigkeit, die Zellen nach dem Ausgangsstrom zu sortieren. Als anschauliches Beispiel für „ein lausiges Schaf, das die ganze Herde verdirbt“ können wir Folgendes anführen: Schneiden Sie ein Rohrstück mit einem viel kleineren Durchmesser in einen Bruch einer Wasserleitung mit großem Durchmesser, dadurch wird der Wasserlauf stark reduziert werden. Ähnliches passiert in einer Kette von Solarzellen, die in ihren Leistungsparametern nicht einheitlich sind.

Siliziumsolarzellen sind nichtlineare Bauelemente und ihr Verhalten kann nicht durch eine einfache Formel wie das Ohmsche Gesetz beschrieben werden. Um die Eigenschaften eines Elements zu erklären, können Sie stattdessen eine Familie von leicht verständlichen Kurven verwenden - Strom-Spannungs-Kennlinien (VAC)

Die von einer Zelle erzeugte Leerlaufspannung variiert von Zelle zu Zelle in einer Charge und von einem Hersteller zum anderen geringfügig und beträgt etwa 0,6 V. Dieser Wert hängt nicht von der Größe der Zelle ab. Anders sieht es bei der aktuellen aus. Sie hängt von der Lichtintensität und der Größe des Elements, also seiner Oberfläche, ab.

Ein Element mit einer Größe von 100 100 mm ist 100-mal größer als ein Element mit einer Größe von 10 10 mm und gibt daher bei gleicher Beleuchtung einen 100-mal höheren Strom aus.

Durch Laden des Elements können Sie die Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Spannung grafisch darstellen und erhalten etwas Ähnliches wie in Abb. 2

Die Spitzenleistung entspricht einer Spannung von etwa 0,47 V. Um die Qualität einer Solarzelle richtig beurteilen zu können, sowie um die Elemente unter gleichen Bedingungen miteinander zu vergleichen, ist es daher erforderlich, sie zu laden so dass die Ausgangsspannung 0,47 V beträgt. Nach dem Solar werden die Elemente für die Arbeit ausgewählt, Sie müssen sie löten. Serienelemente sind mit Kollektorgittern ausgestattet, die zum Anlöten von Leitern ausgelegt sind.

Die Batterien können in beliebiger Kombination kombiniert werden. Die einfachste Batterie ist eine Reihe von Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Sie können Strings auch parallel schalten, um eine sogenannte Serien-Parallel-Schaltung zu bilden.

Ein wichtiger Punkt beim Betrieb von Solarzellen ist ihr Temperaturregime. Wenn das Element um ein Grad über 25 °C erhitzt wird, verliert es 0,002 V an Spannung, d.h. 0,4% / Grad. Abbildung 3 zeigt eine Familie von I - V-Kennlinien für Temperaturen von 25 ° C und 60 ° C.

An einem hellen sonnigen Tag erwärmen sich die Elemente auf 60-70 ° C und verlieren jeweils 0,07-0,09 V. Dies ist der Hauptgrund für die Abnahme des Wirkungsgrades von Solarzellen, was zu einem von der Zelle erzeugten Spannungsabfall führt. Der Wirkungsgrad einer herkömmlichen Solarzelle liegt derzeit im Bereich von 10-16%. Das bedeutet, dass eine Zelle mit einer Größe von 100 bis 100 mm unter Standardbedingungen 1-1,6 Watt erzeugen kann.

Alle Photovoltaikanlagen lassen sich in zwei Typen unterteilen: Insel- und netzgekoppelt. Stationen des zweiten Typs liefern überschüssige Energie ins Netz, die bei einem internen Energiedefizit als Reserve dient.

Ein autonomes System besteht in der Regel aus einem Satz von Solarmodulen, die sich auf einer Tragkonstruktion oder auf dem Dach befinden, einem Akku (Akku), einem Entladeregler - Batterieladung und Anschlusskabeln. Solarmodule sind die Hauptkomponente für den Bau von Photovoltaikanlagen. Sie können mit jeder Ausgangsspannung hergestellt werden.

Nachdem die Solarzellen ausgewählt wurden, müssen sie gelötet werden. Serienelemente sind mit Kollektorgittern zum Anlöten von Leitern ausgestattet. Die Akkus sind beliebig kombinierbar.

Die einfachste Batterie ist eine Reihe von Zellen, die in Reihe geschaltet sind.

Sie können diese Stränge parallel schalten, um eine sogenannte Serien-Parallel-Schaltung zu bilden. Parallel können nur Ketten (Lineale) mit identischen Spannungen angeschlossen werden, deren Ströme nach dem Kirchhoffschen Gesetz aufsummiert werden.

Für den Bodeneinsatz werden sie meist zum Laden von Akkumulatoren (Akkus) mit einer Nennspannung von 12 V verwendet. Dabei werden in der Regel 36 Solarzellen in Reihe geschaltet und durch Laminieren auf Glas, Leiterplatte, Aluminium versiegelt. Dabei befinden sich die Elemente ohne Luftspalt zwischen zwei Lagen einer Siegelfolie. Die Vakuumlaminiertechnologie erfüllt diese Anforderung. Bei einem Luftspalt zwischen Schutzglas und Element würden die Reflexions- und Absorptionsverluste 20-30% betragen gegenüber 12% ohne Luftspalt.

Die elektrischen Parameter einer Solarzelle werden als separate Solarzelle in Form einer Volt-Ampere-Kurve unter Standard-Testbedingungen dargestellt, dh bei Sonneneinstrahlung von 1000 W/m2, Temperatur - 25 °C und Sonnenspektrum bei 45 ° Breitengrad (AM1.5) ...

Der Schnittpunkt der Kurve mit der Spannungsachse heißt Leerlaufspannung - Uxx, der Schnittpunkt mit der Stromachse - Kurzschlussstrom Isc.

Die maximale Leistung eines Moduls ist definiert als die höchste Leistung bei STC (Standard Test Conditions). Die der maximalen Leistung entsprechende Spannung wird als maximale Leistungsspannung (Betriebsspannung - Up) bezeichnet und der entsprechende Strom wird als maximaler Leistungsstrom (Betriebsstrom - Ip) bezeichnet.

Die Betriebsspannung für ein 36-Zellen-Modul beträgt demnach ca. 16 ... 17 V (0,45 ... 0,47 V pro Zelle) bei 25 °C.

Eine solche Spannungsreserve im Vergleich zur vollen Ladespannung der Batterie (14,4 V) ist notwendig, um die Verluste im Batterie-Lade-Entlade-Regler zu kompensieren (wir werden später darüber sprechen) und im Grunde - eine Verringerung der Betriebsspannung des Moduls bei Erwärmung des Moduls durch Strahlung : Der Temperaturkoeffizient für Silizium beträgt ca. minus 0,4% / Grad (0,002 V / Grad für eine Zelle).

Es ist zu beachten, dass die Leerlaufspannung des Moduls wenig von der Beleuchtung abhängt, während der Kurzschlussstrom und damit der Betriebsstrom direkt proportional zur Beleuchtung ist.

So werden die Module beim Erhitzen unter realen Betriebsbedingungen auf eine Temperatur von 60-70 ° C erhitzt, was dem Offset des Betriebsspannungspunktes beispielsweise für ein Modul mit einer Betriebsspannung von 17 V entspricht - ab 17 V bis 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V pro Zelle).

Basierend auf all dem ist es notwendig, sich der Berechnung der Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente des Moduls zu nähern. Wenn der Verbraucher eine Wechselspannung benötigt, wird ein Wechselrichter-Wandler von Gleichspannung in Wechselspannung hinzugefügt dieser Satz.

Die Berechnung von FES versteht sich als Ermittlung der Nennleistung der Module, deren Anzahl, Anschlussschemata; Auswahl des Typs, der Betriebsbedingungen und der Kapazität der Batterie; die Kapazitäten des Wechselrichters und des Lade-Entlade-Controllers; Bestimmung der Parameter der Anschlusskabel.

Zunächst muss die Gesamtleistung aller gleichzeitig angeschlossenen Verbraucher ermittelt werden. Die Leistung jedes von ihnen wird in Watt gemessen und ist in den Produktpässen angegeben. Zu diesem Zeitpunkt ist es bereits möglich, die Leistung des Wechselrichters auszuwählen, die mindestens das 1,25-fache der berechneten sein sollte. Es ist zu beachten, dass ein so kniffliges Gerät wie ein Kompressorkühlschrank beim Start 7-mal mehr Strom verbraucht als der Reisepass.

Der Nennbereich der Wechselrichter beträgt 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Bei leistungsstarken Stationen (mehr als 1 kW) wird die Stationsspannung mindestens 48 V gewählt, weil Bei höheren Leistungen arbeiten Wechselrichter mit höheren Eingangsspannungen besser.

Im nächsten Schritt wird die Kapazität des Akkus bestimmt. Die Batteriekapazität wird aus einem Standardsortiment von Behältern ausgewählt, die zu einer Seite gerundet sind, die größer als die berechnete ist. Und die berechnete Kapazität erhält man, indem man einfach die Gesamtleistung der Verbraucher durch das Produkt der Batteriespannung durch den Wert der Batterieentladetiefe in Bruchteilen teilt.

Wenn beispielsweise die Gesamtleistung der Verbraucher 1000 Wh pro Tag beträgt und die zulässige Entladetiefe einer 12-V-Batterie 50 % beträgt, ergibt sich die berechnete Kapazität:

1000 / (12 x 0,5) = 167 A * h

Bei der Berechnung der Kapazität der Batterie in einem vollständig autonomen Modus muss das Vorhandensein von bewölkten Tagen in der Natur berücksichtigt werden, an denen die Batterie die Arbeit der Verbraucher gewährleisten muss.

Im letzten Schritt werden die Gesamtleistung und die Anzahl der Solarmodule ermittelt. Die Berechnung erfordert den Wert der Sonneneinstrahlung, der während der Betriebszeit der Station gemessen wird, wenn die Sonneneinstrahlung minimal ist. Bei ganzjähriger Nutzung ist dies der Dezember.

Im Abschnitt „Meteorologie“ werden monatliche und jährliche Gesamtwerte der Sonneneinstrahlung für die Hauptregionen Russlands sowie mit Abstufung nach verschiedenen Ausrichtungen der Lichtempfangsebene angegeben.

Nimmt man von dort den Wert der Sonnenstrahlung für den für uns interessierenden Zeitraum und dividiert ihn durch 1000, erhält man die sogenannte Zahl der Bildstunden, also die bedingte Zeit, während der die Sonne sozusagen mit einer Intensität von 1000 W / m2.

Für den Breitengrad von Moskau und den Monat Juli beträgt der Wert der Sonneneinstrahlung beispielsweise 167 kWh / m2, wenn der Standort in einem Winkel von 40 ° zum Horizont nach Süden ausgerichtet ist. Dies bedeutet, dass die durchschnittliche Sonne im Juli 167 Stunden (5,5 Stunden pro Tag) mit einer Intensität von 1000 W / m2 scheint, obwohl die maximale Beleuchtung am Mittag an einem senkrecht zum Lichtstrom ausgerichteten Ort 700-750 W / m2.

Das Modul mit der Leistung Pw während des ausgewählten Zeitraums erzeugt die folgende Energiemenge: W = k Pw E / 1000, wobei E der Einstrahlungswert für den ausgewählten Zeitraum ist, k der Koeffizient gleich 0,5 im Sommer und 0,7 im Winter ist.

Dieser Faktor korrigiert den Leistungsverlust von Solarzellen bei Erwärmung in der Sonne und berücksichtigt auch den schrägen Einfall von Strahlen auf die Oberfläche der Module im Tagesverlauf.

Der Wertunterschied zwischen Winter und Sommer ist auf die geringere Erwärmung der Elemente im Winter zurückzuführen.

Anhand der Gesamtleistung der verbrauchten Energie und obiger Formel lässt sich die Gesamtleistung der Module leicht berechnen. Und wenn wir es wissen, erhalten wir die Anzahl der Module, indem wir es einfach durch die Kapazität eines Moduls dividieren.

Beim Aufbau eines PV-Kraftwerks wird dringend empfohlen, die Leistung der Verbraucher so weit wie möglich zu reduzieren. Verwenden Sie zum Beispiel (wenn möglich) nur Leuchtstofflampen als Beleuchtungskörper. Solche Lampen liefern bei 5-mal weniger Verbrauch einen Lichtstrom, der dem Lichtstrom einer Glühlampe entspricht.

Für kleine Photovoltaik-Kraftwerke empfiehlt es sich, seine Module auf einer Schwenkhalterung zu montieren, um eine optimale Drehung relativ zum einfallenden Strahl zu gewährleisten. Dadurch wird die Kapazität der Station um 20-30% erhöht.

Ein wenig über Wechselrichter.

Wechselrichter oder Wandler von Gleichstrom in Wechselstrom sind so konzipiert, dass sie verschiedene Geräte und Geräte in Abwesenheit oder schlechter Qualität eines Wechselstromnetzes mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 220 V mit hoher Qualität versorgen, verschiedene Notfallsituationen , etc.

Der Wechselrichter ist ein 12 (24, 48, 60) V DC Pulswandler in Wechselstrom mit einer stabilisierten Spannung von 220 V und einer Frequenz von 50 Hz. Die meisten Wechselrichter haben am Ausgang eine STABILISIERTE SINUSOID-Spannung, die es ermöglicht, nahezu alle Geräte und Geräte mit Strom zu versorgen.

Konstruktiv ist der Wechselrichter als Tischgerät ausgeführt. Auf der Vorderseite des Wechselrichters befinden sich ein Produktbetriebsschalter und eine Wechselrichterbetriebsanzeige. Auf der Rückseite des Produkts befinden sich Leitungen (Klemmen) zum Anschluss einer Gleichstromquelle, z. B. einer Batterie, eine Erdungsklemme für das Wechselrichtergehäuse, ein Loch mit einem Lüfter (Kühlung), eine dreipolige Euro-Buchse zum Anschluss die Ladung.

Die stabilisierte Spannung am Ausgang des Wechselrichters ermöglicht eine qualitativ hochwertige Stromversorgung der Last bei Änderungen / Schwankungen der Spannung am Eingang, z . Durch die garantierte galvanische Trennung der DC-Quelle am Eingang und des AC-Kreises mit der Last am Ausgang des Wechselrichters können Sie beim Einsatz verschiedener DC-Quellen oder sonstiger elektrischer Betriebsmittel keine zusätzlichen Maßnahmen zur Gewährleistung der Betriebssicherheit ergreifen. Die Zwangskühlung des Leistungsteils und der niedrige Geräuschpegel während des Betriebs des Wechselrichters ermöglichen einerseits ein gutes Gewicht und gute Abmessungen des Produkts, andererseits verursacht diese Art der Kühlung keine Unannehmlichkeiten im Betrieb in Form von Lärm.

• Eingebautes Bedienfeld mit elektronischer Anzeige
• Kapazitätspotentiometer, mit dem präzise Einstellungen vorgenommen werden können
• Normalisierte Pin-to-Pin-Leiste: WE WY STEROW
• Eingebaute Bremskurve
• Kühler mit Lüfter
• Ästhetische Befestigung
• Stromversorgung 230 V - 400 V
• Überlast 150% - 60s
• Startzeit 0,01 ... 1000 Sekunden
• Eingebauter Elektrofilter, Klasse A
• Arbeitstemperatur: -5 ° C - + 45 ° C
• RS 485-Port
• Frequenzschrittregelung: 0,01 Hz - 1 kHz
• Schutzklasse IP 20

Funktionell bietet: Erhöhung, Verringerung der Frequenz, Kontrolle von Überlastung, Überhitzung.



Die meisten erneuerbaren Energien – Wasserkraft, mechanische und thermische Energie der Meere, Wind und Geothermie – zeichnen sich entweder durch ein begrenztes Potenzial oder erhebliche Schwierigkeiten bei der Verbreitung aus. Das Gesamtpotenzial der meisten erneuerbaren Energiequellen wird den Energieverbrauch vom jetzigen Niveau nur um eine Größenordnung erhöhen. Aber es gibt noch eine andere Energiequelle - die Sonne. Die Sonne, ein Stern der Spektralklasse 2, ein gelber Zwerg, ist in all seinen Hauptparametern ein sehr durchschnittlicher Stern: Masse, Radius, Temperatur und absolute Helligkeit. Aber dieser Stern hat eine einzigartige Eigenschaft - er ist "unser Stern", und die Menschheit verdankt ihre gesamte Existenz diesem mittleren Stern. Unsere Leuchte versorgt die Erde mit einer Leistung von etwa 10 17 W - das ist die Leistung eines "Sonnenstrahls" mit einem Durchmesser von 12,7 Tausend km, der ständig die der Sonne zugewandte Seite unseres Planeten beleuchtet. Die Intensität des Sonnenlichts auf Meereshöhe in südlichen Breiten, wenn die Sonne im Zenit steht, beträgt 1 kW / m2. Durch die Entwicklung hocheffizienter Methoden zur Umwandlung von Sonnenenergie kann die Sonne den steigenden Energiebedarf über viele Jahrhunderte hinweg decken.

Die Argumente der Gegner einer großflächigen Nutzung der Solarenergie laufen im Wesentlichen auf folgende Argumente hinaus:

1. Die spezifische Leistung der Sonnenstrahlung ist gering, und eine groß angelegte Umwandlung von Sonnenenergie erfordert sehr große Flächen.

2. Die Umwandlung von Solarenergie ist sehr teuer und erfordert fast unrealistische Material- und Arbeitskosten.

Wie groß wird die von Umwandlungssystemen abgedeckte Fläche der Erde sein, um einen nennenswerten Anteil an Strom am Weltenergiehaushalt zu erzeugen? Dieser Bereich hängt natürlich von der Effizienz der verwendeten Umwandlungssysteme ab. Um die Effizienz von Photovoltaik-Konvertern zu bewerten, die Sonnenenergie mit Hilfe von Halbleiter-Fotozellen direkt in elektrische Energie umwandeln, führen wir das Konzept der Effizienz (Effizienz) einer Fotozelle ein, definiert als das Verhältnis der von diesem Element erzeugten Elektrizität zur Leistung von a Sonnenstrahl fällt auf die Oberfläche der Fotozelle. Bei einem Wirkungsgrad von Solarkonvertern von 10 % (typische Wirkungsgradwerte für Silizium-Photovoltaikzellen, die in der industriellen Serienproduktion für den Bedarf an bodengebundener Energie weit verbreitet sind), um 10 12 W Strom zu erzeugen, ist es wäre notwendig, um eine Fläche von 4 * 10 10 m 2 abzudecken, die einem Quadrat mit einer Seitenlänge von 200 km entspricht. In diesem Fall wird die Intensität der Sonnenstrahlung mit 250 W / m 2 angenommen, was einem typischen Jahresdurchschnittswert für südliche Breiten entspricht. Das heißt, die "geringe Dichte" der Sonnenstrahlung ist kein Hindernis für die Entwicklung von großflächiger Sonnenenergie.

Die obigen Überlegungen sind ein ziemlich starkes Argument: Das Problem der Umwandlung von Sonnenenergie muss heute gelöst werden, um diese Energie morgen nutzen zu können. Man kann dieses Problem zumindest scherzhaft im Rahmen der Lösung von Energieproblemen für die kontrollierte Kernfusion betrachten, wenn ein effizienter Reaktor (die Sonne) von der Natur selbst geschaffen wurde und viele Millionen Jahre lang eine Ressource für zuverlässigen und sicheren Betrieb bietet, und unsere Aufgabe ist es lediglich, eine bodengebundene Umrichterstation zu entwickeln. In letzter Zeit wurden weltweit umfangreiche Forschungen auf dem Gebiet der Solarenergie durchgeführt, die gezeigt haben, dass diese Methode der Energiegewinnung in naher Zukunft wirtschaftlich gerechtfertigt sein und breite Anwendung finden kann.

Russland ist reich an natürlichen Ressourcen. Wir verfügen über bedeutende Reserven an fossilen Brennstoffen – Kohle, Öl, Gas. Aber auch für unser Land ist die Nutzung der Sonnenenergie von großer Bedeutung. Trotz der Tatsache, dass ein erheblicher Teil des Territoriums Russlands in hohen Breiten liegt, sind einige sehr große südliche Regionen unseres Landes klimatisch sehr günstig für die weit verbreitete Nutzung der Sonnenenergie.

Noch größere Perspektiven hat die Nutzung der Sonnenenergie in den Ländern des äquatorialen Gürtels der Erde und in der Nähe dieses Gürtels, die sich durch eine hohe solare Energieversorgung auszeichnen. So erreicht in einer Reihe von Regionen Zentralasiens die Dauer der direkten Sonneneinstrahlung 3000 Stunden pro Jahr und die jährliche Ankunft der Sonnenenergie auf einer horizontalen Oberfläche beträgt 1500 - 1850 kW o Stunde / m 2.

Die Arbeitsschwerpunkte im Bereich der Solarenergieumwandlung sind derzeit:

- direkte thermische Erwärmung (Gewinnung von Wärmeenergie) und thermodynamische Umwandlung (Gewinnung von elektrischer Energie mit zwischenzeitlicher Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie);

- photovoltaische Umwandlung von Sonnenenergie.

Die direkte thermische Beheizung ist die einfachste Methode zur Umwandlung von Sonnenenergie und wird in südlichen Regionen Russlands und in Ländern des Äquatorgürtels in Solarwärmeanlagen, Warmwasserversorgung, Gebäudekühlung, Entsalzung usw. Die Basis von Solarwärme nutzenden Anlagen sind flache Sonnenkollektoren – Absorber der Sonnenstrahlung. Wasser oder eine andere Flüssigkeit, die mit dem Absorber in Kontakt steht, wird erhitzt und mittels einer Pumpe oder Naturumwälzung aus diesem abgeleitet. Anschließend gelangt die erhitzte Flüssigkeit in den Speicher, von wo sie nach Bedarf verbraucht wird. Ein solches Gerät ähnelt einem Warmwasserversorgungssystem.

Strom ist die bequemste Energieform für Nutzung und Übertragung. Daher ist das Interesse der Forscher an der Entwicklung und Errichtung von Solarkraftwerken unter Nutzung der zwischenzeitlichen Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme mit anschließender Umwandlung in Strom verständlich.

In der Welt sind heute zwei Arten von solarthermischen Kraftwerken am weitesten verbreitet: 1) Turmtyp mit der Konzentration der Sonnenenergie auf einen Solarempfänger, der unter Verwendung einer großen Anzahl von flachen Spiegeln ausgeführt wird; 2) verteilte Systeme von Paraboloiden und parabolischen Zylindern, in deren Mittelpunkt thermische Empfänger und Wandler mit geringer Leistung stehen.

2. ENTWICKLUNG DER SOLARENERGIE

Ende der 70er - Anfang der 80er Jahre wurden in verschiedenen Ländern der Welt sieben Pilot-Solarkraftwerke (SPP) vom sogenannten Turmtyp mit einer Leistung von 0,5 bis 10 MW gebaut. In Kalifornien wurde das größte Solarkraftwerk mit einer Leistung von 10 MW (Solar Оne) gebaut. Alle diese SES sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut: Ein Feld aus Heliostat-Spiegeln, das der Sonne folgt, reflektiert die Sonnenstrahlen auf einen Empfänger-Empfänger, der auf einem ziemlich hohen Turm montiert ist. Der Receiver ist im Wesentlichen ein Solarkessel, der mittelgroßen Dampf erzeugt, der dann an eine Standard-Dampfturbine geleitet wird.

Keines dieser SPPs ist derzeit nicht mehr in Betrieb, da die dafür vorgesehenen Forschungsprogramme abgeschlossen sind und sich der Betrieb als kommerzielle Kraftwerke als unrentabel erwies. 1992 bildete die Edison Company in Südkalifornien ein Konsortium aus Energie- und Industrieunternehmen, die zusammen mit dem US-Energieministerium ein Projekt zur Errichtung eines Solarturm-Solarkraftwerks durch die Renovierung von Solar One finanzieren. Die Kapazität von Solar Two im Rahmen des Projekts soll 10 MW betragen, also unverändert bleiben. Die Grundidee des geplanten Umbaus besteht darin, den bestehenden Receiver mit direkter Erzeugung von Wasserdampf durch einen Zwischenwärmeträger (Nitratsalze) zu ersetzen. Anstelle des Kiesspeichers von Solar One mit Hochtemperaturöl als Wärmeträger wird das SPP-Konzept einen Nitratspeicher vorsehen. Der Start des rekonstruierten SPP war für 1996 geplant. Die Entwickler sehen darin einen Prototypen, mit dem im nächsten Schritt ein Solarkraftwerk mit einer Leistung von 100 MW entstehen soll. Es wird davon ausgegangen, dass diese Art von SPP bei einem solchen Umfang mit fossilen Brennstoffen wettbewerbsfähig sein wird.

Das zweite Projekt - ein Turmsolarkraftwerk PHOEBUS wird von einem deutschen Konsortium realisiert. Das Projekt umfasst die Schaffung eines Demonstrations-Hybrid-Solarkraftwerks (Solarkraftstoff) mit einer Leistung von 30 MW mit einem volumetrischen Receiver, in dem atmosphärische Luft erwärmt wird, die dann zu einem Dampfkessel geleitet wird, in dem Wasserdampf erzeugt wird, die im Rankine-Zyklus arbeitet. Auf dem Luftweg vom Empfänger zum Kessel soll ein Brenner zur Verbrennung von Erdgas vorgesehen sein, dessen Menge so geregelt wird, dass die angegebene Leistung den ganzen Tag über erhalten bleibt. Berechnungen zeigen, dass beispielsweise bei einer jährlichen Sonneneinstrahlung von 6,5 GJ / m2 (ähnlich der für die südlichen Regionen der Ukraine typischen) dieses SPP mit einer Gesamtheliostatfläche von 160.000 m2 290,2 GW erhält * h / Jahr Solarenergie, und die mit Brennstoff eingebrachte Energiemenge beträgt 176,0 GW * h / Jahr. Gleichzeitig produziert das SPP 87,9 GW * h Strom pro Jahr mit einem durchschnittlichen Jahreswirkungsgrad von 18,8 %. Mit solchen Indikatoren sind die Stromkosten von SES auf dem Niveau von TPPs mit fossilen Brennstoffen zu erwarten.

Seit Mitte der 80er Jahre hat das Unternehmen LUZ in Südkalifornien neun SPPs mit parabolisch-zylindrischen Konzentratoren (PCC) mit Blockkapazitäten erstellt und in den kommerziellen Betrieb genommen, die vom ersten SPP zum nächsten von 13,8 auf 80 MW gestiegen sind. Die Gesamtkapazität dieser SPPs hat 350 MW erreicht. In diesen SES haben wir einen PCC mit einer Apertur verwendet, die sich beim Übergang vom ersten SES zum nächsten vergrößert hat. Durch die Nachführung der Sonne auf einer einzigen Achse fokussieren die Konzentratoren die Sonnenstrahlung auf röhrenförmige Receiver, die in Vakuumröhren eingeschlossen sind. Im Inneren des Receivers strömt ein flüssiger Hochtemperatur-Wärmeträger, der sich auf bis zu 380 °C erwärmt und dann die Wärme des Wasserdampfes an den Dampferzeuger abgibt. Das Schema dieser SPPs sieht auch die Verbrennung einer bestimmten Menge Erdgas in einem Dampferzeuger vor, um zusätzliche Spitzenstromerzeugung zu erzeugen und um die verringerte Sonneneinstrahlung zu kompensieren.

Diese SESs wurden zu einer Zeit erstellt und betrieben, als es Gesetze in den Vereinigten Staaten gab, die es SES erlaubten, ohne Verluste zu arbeiten. Das Auslaufen dieser Gesetze Ende der 80er Jahre führte dazu, dass die Firma LUZ in Konkurs ging und der Bau neuer SPPs dieser Art gestoppt wurde.

Die Firma KJC (Kramer Junction Company), die fünf der neun errichteten SPPs (von 3 auf 7) betrieb, hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Effizienz dieser SPPs zu steigern, deren Betriebskosten zu senken und sie im neuen Jahr wirtschaftlich attraktiv zu machen Bedingungen. Dieses Programm wird derzeit erfolgreich umgesetzt.

Die Schweiz hat sich bei der Nutzung von Solarenergie zu einem der führenden Unternehmen entwickelt. Ab 1997 wurden hier rund 2.600 Solarkraftwerke auf Basis von Photovoltaik-Konvertern mit einer Leistung von 1 bis 1000 kW gebaut. Das unter dem Motto "Für eine nichtflüchtige Schweiz" durchgeführte Programm mit dem Namen "Solar-91" leistet einen wesentlichen Beitrag zur Lösung von Umweltproblemen und zur Energieunabhängigkeit des Landes, das mittlerweile mehr als 70% der Energie importiert. Ein Solarkraftwerk mit einer Leistung von 2-3 kW wird am häufigsten auf Dächern und Fassaden von Gebäuden montiert. Eine solche Anlage erzeugt durchschnittlich 2000 kWh Strom pro Jahr, was für den Eigenbedarf eines durchschnittlichen Schweizer Haushaltes ausreicht. Große Firmen installieren auf den Dächern von Industriegebäuden Solaranlagen mit einer Leistung von bis zu 300 kW. Eine solche Station deckt den Strombedarf des Unternehmens zu 50-60%.

Unter den Bedingungen des Hochalpenlandes, wo es unrentabel ist, Stromleitungen zu verlegen, werden auch Solarkraftwerke mit hoher Leistung gebaut. Die Betriebserfahrung zeigt, dass die Sonne bereits in der Lage ist, den Bedarf aller Wohngebäude des Landes zu decken. Solaranlagen, die sich auf Dächern und Wänden von Häusern, auf Lärmschutzzäunen von Autobahnen, auf Verkehrs- und Industriebauten befinden, benötigen keine teuren landwirtschaftlichen Flächen für ihre eigene Platzierung. Eine autonome Solaranlage in der Nähe des Dorfes Grimsel liefert Strom für die Rund-um-die-Uhr-Beleuchtung eines Straßentunnels. In der Nähe der Stadt Shur erzeugen Sonnenkollektoren, die auf einem 700 Meter langen Abschnitt einer Lärmschutzwand montiert sind, jährlich 100 kW Strom.

Das moderne Konzept der Solarenergienutzung kommt beim Bau der Gebäude der Fensterglasfabrik in Arisdorf am besten zum Ausdruck, wo bereits bei der Gestaltung Solarpaneelen mit einer Gesamtleistung von 50 kW eine zusätzliche Rolle als Deckenelemente und Fassadendekoration zugeschrieben wurden Prozess. Der Wirkungsgrad von Solarkonvertern mit starker Erwärmung wird merklich reduziert, daher werden Lüftungsleitungen zum Pumpen von Außenluft unter die Paneele verlegt. Dunkelblaue, in der Sonne funkelnde Fotowandler an der Süd- und Westfassade des Verwaltungsgebäudes, die das Netz mit Strom versorgen, dienen als dekorative Verkleidung.

In Entwicklungsländern werden relativ kleine Anlagen verwendet, um einzelne Häuser mit Strom zu versorgen, in abgelegenen Dörfern, um - Kulturzentren auszustatten, in denen Sie dank PMTs Fernseher verwenden können usw. In diesem Fall fallen nicht die Stromkosten an vor, aber die soziale Wirkung. PMT-Umsetzungsprogramme in diesen Ländern werden von internationalen Organisationen aktiv unterstützt und die Weltbank beteiligt sich auf der Grundlage der von ihr vorgeschlagenen "Solar Initiative" an deren Finanzierung. In Kenia beispielsweise wurden in den letzten 5 Jahren 20.000 Landhäuser mit PMTs elektrifiziert. Ein großes Programm zur Einführung von PMT wird in Indien durchgeführt, wo 1986 - 1992. 690 Millionen Rupien wurden für die Installation eines PMT in ländlichen Gebieten ausgegeben.

In Industrieländern wird die aktive Einführung von PMT durch mehrere Faktoren erklärt. Erstens werden PMTs als umweltfreundliche Quellen angesehen, die die schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt reduzieren können. Zweitens erhöht der Einsatz von PMT in Privathäusern die Energieautonomie und schützt den Eigentümer bei möglichen Unterbrechungen der zentralen Stromversorgung.

3. PHOTOELEKTRISCHE UMWANDLUNG VON SOLARENERGIE

Einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Wirkmechanismus des photoelektrischen Effekts in Halbleitern leistete der Gründer des Physikalisch-Technischen Instituts (PTI) der Russischen Akademie der Wissenschaften, Akademiker A.F. Ioff. Schon in den dreißiger Jahren träumte er davon, Halbleitersolarzellen in der Solarenergie einzusetzen, als B.T. Kolomiets und Yu.P. Maslakovets baute am Physikalisch-Technischen Institut Thalliumsulfid-Photozellen mit einer für diese Zeit rekordverdächtigen Effizienz von 1%.

Der weit verbreitete praktische Einsatz von Solarbatterien für Energiezwecke begann 1958 mit dem Start künstlicher Erdsatelliten - dem sowjetischen "Sputnik"-3 und dem amerikanischen "Avangard"-1. Seitdem sind Halbleiter-Solarbatterien seit mehr als 35 Jahren die wichtigste und fast einzige Energiequelle für Raumfahrzeuge und große Orbitalstationen vom Typ Saljut und Mir. Ein großer Nachholbedarf, der von Wissenschaftlern im Bereich Solarbatterien für Weltraumzwecke angesammelt wurde, ermöglichte auch den Beginn der Arbeiten zur bodengestützten Photovoltaik.

Die Basis von Photozellen ist eine Halbleiterstruktur mit einem p-n-Übergang, der an der Grenzfläche zweier Halbleiter mit unterschiedlichen Leitungsmechanismen entsteht. Beachten Sie, dass diese Terminologie aus den englischen Wörtern positiv und negativ stammt. Durch Ändern der Art der in den Halbleiter eingebrachten Verunreinigungen werden verschiedene Leitfähigkeitstypen erhalten. So sind zum Beispiel die Atome der III. Gruppe des Periodensystems von D.I. Mendeleev, eingeführt in das Kristallgitter von Silizium, verleiht dem letzteren Loch (positiv) Leitfähigkeit und Verunreinigungen der Gruppe V - elektronisch (negativ). Der Kontakt von p- oder n-Halbleitern führt zur Bildung eines elektrischen Kontaktfeldes zwischen ihnen, das beim Betrieb einer Solarphotozelle eine äußerst wichtige Rolle spielt. Lassen Sie uns den Grund für das Auftreten der Kontaktpotentialdifferenz erklären. Wenn p- und n-Halbleiter in einem Einkristall verbunden sind, entsteht ein Diffusionsfluss von Elektronen vom n-Halbleiter zum p-Halbleiter und umgekehrt ein Lochfluss vom p- zum n-Halbleiter. Als Ergebnis dieses Prozesses wird der dem p-n-Übergang benachbarte Teil des p-Typ-Halbleiters negativ geladen, und der dem p-n-Übergang benachbarte Teil des n-Typ-Halbleiters erhält dagegen eine positive Ladung. Somit wird in der Nähe des p-n-Übergangs eine doppelt geladene Schicht gebildet, die dem Diffusionsprozess von Elektronen und Löchern entgegenwirkt. Tatsächlich neigt die Diffusion dazu, einen Elektronenfluss vom n-Bereich zum p-Bereich zu erzeugen, während das Feld der geladenen Schicht im Gegenteil darauf abzielt, Elektronen in den n-Bereich zurückzuführen. In ähnlicher Weise wirkt das Feld im p-n-Übergang der Diffusion von Löchern vom p- in den n-Bereich entgegen. Durch zwei gegenläufige Prozesse (Diffusion und Bewegung von Stromträgern im elektrischen Feld) stellt sich ein stationärer Gleichgewichtszustand ein: An der Grenzfläche entsteht eine geladene Schicht, die das Eindringen von Elektronen aus einem n-Halbleiter verhindert und Löcher aus einem p-Halbleiter. Mit anderen Worten entsteht im Bereich des p-n-Übergangs eine Energie-(Potential-)Barriere, um zu überwinden, welche Elektronen aus dem n-Halbleiter und Löcher aus dem p-Halbleiter eine bestimmte Energie aufwenden müssen. Ohne auf die Beschreibung der elektrischen Eigenschaften des p-n-Übergangs einzugehen, der in Gleichrichtern, Transistoren und anderen Halbleiterbauelementen weit verbreitet ist, betrachten wir die Arbeit des p-n-Übergangs in Fotozellen.

Wenn Licht in einem Halbleiter absorbiert wird, werden Elektron-Loch-Paare angeregt. In einem homogenen Halbleiter erhöht die Photoanregung nur die Energie von Elektronen und Löchern, ohne sie im Raum aufzuteilen, dh Elektronen und Löcher sind im "Energieraum" getrennt, bleiben aber im geometrischen Raum nahe beieinander. Für die Trennung von Stromträgern und das Auftreten einer photoelektromotorischen Kraft (photoelektromotorische Kraft) muss eine zusätzliche Kraft vorhanden sein. Die effektivste Trennung von Nichtgleichgewichtsträgern erfolgt genau im Bereich des p-n-Übergangs. In der Nähe des pn-Übergangs erzeugte "Minderheits"-Ladungsträger (Löcher im n-Halbleiter und Elektronen im p-Halbleiter) diffundieren zum pn-Übergang, werden vom Feld des pn-Übergangs aufgenommen und in den Halbleiter ausgestoßen, in dem sie werden zu den Hauptträgern: Elektronen werden in einem n-Halbleiter lokalisiert und Löcher in einem p-Halbleiter. Als Ergebnis wird der Halbleiter vom p-Typ positiv geladen und der Halbleiter vom n-Typ negativ. Zwischen den n- und p-Bereichen der Photozelle entsteht eine Potentialdifferenz - die Photo-EMK. Die Polarität der Photo-EMK entspricht der "Vorwärts"-Verschiebung des pn-Übergangs, was die Barrierenhöhe senkt und die Injektion von Löchern vom p-Bereich in den n-Bereich und Elektronen vom n-Bereich zum p . fördert -Region. Durch die Wirkung dieser beiden gegenläufigen Mechanismen - die Ansammlung von Stromträgern unter Lichteinwirkung und deren Abfluss durch eine Verringerung der Höhe der Potentialbarriere - stellt sich bei unterschiedlichen Lichtintensitäten ein unterschiedlicher Photo-EMK-Wert ein . In diesem Fall nimmt die Größe der Photo-EMK in einem weiten Beleuchtungsbereich proportional zum Logarithmus der Lichtintensität zu. Bei sehr hoher Lichtintensität, wenn sich herausstellt, dass die Potentialbarriere praktisch Null ist, erreicht der Wert der Photo-EMK "Sättigung" und wird gleich der Barrierenhöhe am unbeleuchteten pn-Übergang. Bei direkter Beleuchtung sowie konzentrierter bis zum 100- bis 1000-fachen Sonnenstrahlung beträgt die Höhe der Photo-EMK 50 - 85 % der Kontaktpotentialdifferenz des p-n-Übergangs.

Somit wird der Prozess des Auftretens der Photo-EMK betrachtet, die an den Kontakten der p- und n-Bereiche des p-n-Übergangs entsteht. Wenn der beleuchtete pn-Übergang kurzgeschlossen wird, fließt ein Strom im Stromkreis proportional zur Größe der Beleuchtungsintensität und der Anzahl der durch das Licht erzeugten Elektron-Loch-Paare. Wenn eine Nutzlast, z. B. ein solarbetriebener Rechner, an einen Stromkreis angeschlossen wird, nimmt der Strom im Stromkreis leicht ab. Typischerweise wird der elektrische Widerstand der Nutzlast in der Solarzellenschaltung so gewählt, dass die der Last zugeführte maximale elektrische Leistung erhalten wird.

Eine Solarzelle wird auf der Basis einer Platte aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium hergestellt. In der Platte entstehen Bereiche mit p- und n-Leitfähigkeit. Verfahren zum Erzeugen dieser Bereiche sind beispielsweise das Verfahren der Diffusion von Störstellen oder das Verfahren des Aufwachsens eines Halbleiters auf einen anderen. Dann werden der untere und der obere elektrische Kontakt hergestellt, wobei der untere Kontakt massiv und der obere in Form einer Kammstruktur (dünne Streifen verbunden durch eine relativ breite Stromsammelschiene) ist.

Das Hauptmaterial zur Herstellung von Solarzellen ist Silizium. Die Technologie zur Herstellung von Halbleitersilizium und darauf basierenden Solarzellen basiert auf Methoden der Mikroelektronik, der fortschrittlichsten Industrietechnologie. Silizium ist anscheinend im Allgemeinen eines der am besten untersuchten Materialien in der Natur, außerdem das zweithäufigste nach Sauerstoff. Wenn man bedenkt, dass vor etwa vierzig Jahren die ersten Solarzellen aus Silizium hergestellt wurden, ist es naheliegend, dass dieses Material die erste Geige in Solar-Photovoltaik-Energieprogrammen spielt. Monokristalline Silizium-Photozellen kombinieren die Vorteile der Verwendung eines relativ billigen Halbleitermaterials mit hohen Parametern von darauf basierenden Geräten.

Bis vor kurzem wurden Solarzellen für den terrestrischen Einsatz sowie für Weltraumanwendungen auf der Basis von relativ teurem monokristallinem Silizium hergestellt. Durch die Reduzierung der anfänglichen Siliziumkosten, die Entwicklung von Hochleistungsverfahren zur Herstellung von Wafern aus Ingots und fortschrittliche Technologien zur Herstellung von Solarzellen konnten die Kosten für darauf basierende bodenbasierte Solarzellen um ein Vielfaches gesenkt werden . Die Hauptarbeitsbereiche zur weiteren Senkung der Kosten für "Solarstrom" sind: die Beschaffung von Elementen auf der Basis von billigem polykristallinem Silizium, einschließlich Streifen; Entwicklung billiger Dünnschichtelemente auf Basis von amorphem Silizium und anderen Halbleitermaterialien; Umwandlung konzentrierter Sonnenstrahlung mit hocheffizienten siliziumbasierten Zellen und einem relativ neuen Halbleitermaterial Aluminium-Gallium-Arsen.

Die Fresnel-Linse ist eine 1–3 mm dicke Plexiglasplatte, von der eine Seite flach ist und die andere ein Profil in Form von konzentrischen Ringen hat, die das Profil einer konvexen Linse wiederholen. Fresnel-Linsen sind deutlich günstiger als herkömmliche Konvexlinsen und bieten ein Konzentrationsniveau von 2 - 3 Tausend "Sonnen".

In den letzten Jahren wurden weltweit bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Siliziumsolarzellen erzielt, die unter konzentrierter Sonneneinstrahlung betrieben werden. Unter Bestrahlungsbedingungen auf der Erdoberfläche mit einer Konzentration von 20-50 "Sonnen" sind Siliziumzellen mit einem Wirkungsgrad > 25% entstanden. Solarzellen auf Basis des Halbleitermaterials Aluminium-Gallium-Arsen, erstmals hergestellt am nach ihm benannten Physikalisch-Technischen Institut A. F. Ioffe im Jahr 1969. Bei solchen Solarzellen werden Wirkungsgrade > 25 % bei bis zu 1000-facher Konzentration erreicht. Trotz der hohen Kosten solcher Elemente ist ihr Beitrag zu den Kosten des erzeugten Stroms bei hohen Konzentrationsgraden der Sonnenstrahlung aufgrund einer erheblichen (bis zu 1000-fachen) Reduzierung ihrer Fläche nicht entscheidend. Die Situation, in der die Kosten von Photovoltaikzellen keinen wesentlichen Beitrag zu den Gesamtkosten eines Solarkraftwerks leisten, macht es gerechtfertigt, eine Fotozelle zu verkomplizieren und zu verteuern, wenn dies zu einer Effizienzsteigerung führt. Dies erklärt die Aufmerksamkeit, die derzeit der Entwicklung von Kaskadensolarzellen geschenkt wird, die eine deutliche Effizienzsteigerung ermöglichen. Bei einer Kaskadensolarzelle wird das Sonnenspektrum in zwei (oder mehr) Teile aufgespalten, zB sichtbares und infrarotes Spektrum, die jeweils mit Fotozellen aus unterschiedlichen Materialien umgewandelt werden. In diesem Fall werden die Energieverluste von Sonnenstrahlungsquanten reduziert. In zweistufigen Stufen liegt der theoretische Wert des Wirkungsgrades beispielsweise über 40%.