Convertisseurs solaires photovoltaïques. Le principe de la batterie solaire : comment le panneau solaire est agencé et fonctionne

Énergie solaire- la direction de l'énergie non traditionnelle, basée sur l'utilisation directe du rayonnement solaire pour obtenir de l'énergie sous n'importe quelle forme. L'énergie solaire utilise une source d'énergie inépuisable et est respectueuse de l'environnement, c'est-à-dire qu'elle ne produit pas de déchets nocifs. La production d'énergie à partir de centrales solaires cadre bien avec le concept de production d'électricité distribuée.

Photovoltaïque- une méthode de génération d'énergie électrique en utilisant des éléments photosensibles pour convertir l'énergie solaire en électricité.

Énergie solaire- l'une des méthodes d'utilisation pratique d'une source d'énergie renouvelable - l'énergie solaire, utilisée pour convertir le rayonnement solaire en chaleur de l'eau ou en caloporteur liquide à bas point d'ébullition. L'énergie solaire est utilisée à la fois pour la production industrielle d'électricité et pour le chauffage de l'eau à usage domestique.

Batterie solaire- un terme familier utilisé dans le langage courant ou dans la presse non scientifique. Habituellement, le terme « batterie solaire » ou « panneau solaire » fait référence à plusieurs convertisseurs photovoltaïques combinés (cellules photovoltaïques) - des dispositifs à semi-conducteurs qui convertissent directement l'énergie solaire en courant continu.

Le terme "photovoltaïque" désigne le mode de fonctionnement normal d'une photodiode, dans lequel le courant électrique est généré uniquement à partir de l'énergie lumineuse convertie. En fait, tous les appareils photovoltaïques sont des variétés de photodiodes.

Convertisseurs photovoltaïques (FEP)

Dans les systèmes photovoltaïques, la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique est réalisée dans des convertisseurs photovoltaïques (convertisseurs PV). Selon le matériau, la conception et le mode de fabrication, il est d'usage de distinguer trois générations de FEP :

PVC de première génération à base de plaquettes de silicium cristallin ;

PEC de deuxième génération à base de couches minces ;

FEP de troisième génération à base de matériaux organiques et inorganiques.

Pour augmenter l'efficacité de la conversion de l'énergie solaire, des cellules photovoltaïques sont développées sur la base de structures multicouches en cascade.

FEP de première génération

Les PEC de la première génération à base de plaques de cristal sont aujourd'hui les plus utilisées. Au cours des deux dernières années, les fabricants ont réussi à réduire le coût de production de ces PVC, ce qui a renforcé leurs positions sur le marché mondial.

Types de FEP de la première génération :

silicium monocristallin (mc-Si),

silicium polycristallin (m-Si),

à base de GaAs,

ruban-technologies (EFG, S-web),

polysilicium en couche mince (Apex).

FEP de la deuxième génération

La technologie de production de PVC couches minces de deuxième génération implique le dépôt de couches par un procédé sous vide. La technologie du vide, par rapport à la technologie de production de PVC cristallin, est moins énergivore et se caractérise également par un volume d'investissements en capital plus faible. Il permet de produire des PVC souples bon marché avec une grande surface, mais le coefficient de conversion de tels éléments est plus faible par rapport aux cellules PV de première génération.

Types de FEP de la deuxième génération :

silicium amorphe (a-Si),

micro- et nanosilicium (μc-Si / nc-Si),

silicium sur verre (CSG),

tellurure de cadmium (CdTe),

(di) séléniure de cuivre-(indium-)gallium (CI(G)S).

FEP de la troisième génération

L'idée de créer une cellule solaire de troisième génération était de réduire encore le coût d'une cellule solaire, d'abandonner l'utilisation de matériaux coûteux et toxiques au profit de polymères et d'électrolytes bon marché et recyclables. Une différence importante est également la possibilité d'appliquer des couches par des méthodes d'impression.

Actuellement, la plupart des projets dans le domaine des cellules photovoltaïques de troisième génération sont au stade de la recherche.

Types de FEP de la troisième génération :

colorant photosensibilisé (DSC),

biologique (OPV),

inorganique (CTZSS).

Installation et utilisation

Les FEP sont assemblés en modules qui ont des dimensions de montage, des paramètres électriques et des indicateurs de fiabilité standardisés. Pour l'installation et le transport de l'électricité, les modules solaires sont équipés d'onduleurs de courant, de batteries et d'autres éléments des sous-systèmes électriques et mécaniques.

Selon le domaine d'application, les types d'installations de systèmes solaires suivants sont distingués:

petites centrales électriques privées situées sur les toits des maisons ;

petites et moyennes usines commerciales situées à la fois sur les toits et au sol;

centrales solaires industrielles qui alimentent de nombreux consommateurs.

Les valeurs maximales de l'efficacité des photocellules et des modules, obtenues dans des conditions de laboratoire

Facteurs affectant l'efficacité des photocellules

D'après les performances du panneau photovoltaïque, on peut voir que la sélection correcte de la résistance de charge est nécessaire pour obtenir le rendement le plus élevé. Pour ce faire, les panneaux photovoltaïques ne sont pas directement connectés à la charge, mais utilisent un contrôleur de système photovoltaïque qui assure le fonctionnement optimal des panneaux.

Production

Très souvent, les photocellules individuelles ne produisent pas assez de puissance. Ainsi, un certain nombre de cellules photovoltaïques sont réunies en modules solaires dits photovoltaïques et un renfort est monté entre les plaques de verre. Cette construction peut être entièrement automatisée.

Avantages

La disponibilité générale et l'inépuisabilité de la source.

Sans danger pour l'environnement - bien qu'il soit possible que l'introduction généralisée de l'énergie solaire modifie l'albédo (une caractéristique de la capacité de réflexion (diffusion)) de la surface de la terre et entraîne un changement climatique (cependant, avec le niveau d'énergie actuel consommation, c'est extrêmement improbable).

désavantages

Dépend de la météo et de l'heure de la journée.

Le besoin de stockage d'énergie.

Dans la production industrielle - la nécessité de dupliquer les centrales solaires avec des centrales maniables de puissance comparable.

Le coût de construction élevé associé à l'utilisation d'éléments rares (par exemple, l'indium et le tellure).

La nécessité de nettoyer périodiquement la surface réfléchissante de la poussière.

Chauffage de l'atmosphère au-dessus de la centrale électrique.

L'efficacité de conversion dépend des caractéristiques électrophysiques de la structure semi-conductrice non homogène, ainsi que des propriétés optiques du PVC, parmi lesquelles le rôle le plus important est joué par la photoconductivité. Elle est causée par les phénomènes de l'effet photoélectrique interne dans les semi-conducteurs lorsqu'ils sont irradiés par la lumière du soleil.

Les principales pertes d'énergie irréversibles dans le PVC sont liées à :

réflexion du rayonnement solaire depuis la surface du transducteur,

le passage d'une partie du rayonnement à travers le PVC sans absorption dans celui-ci,

diffusion de l'énergie photonique en excès sur les vibrations thermiques du réseau,

par recombinaison des photo-paires formées sur les surfaces et dans le volume du PVC,

résistance interne du convertisseur, etc.

La méthode photoélectrique de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique est basée sur le phénomène de l'effet photoélectrique - la libération d'électrons de conduction dans le récepteur de rayonnement sous l'influence des quanta de rayonnement solaire.

Cet effet est utilisé dans les matériaux semi-conducteurs, dans lesquels l'énergie des quanta de rayonnement hn crée, par exemple, sur p–m- photocourant de transition

Si=eN e,

où N e- le nombre d'électrons créant une différence de potentiel à la jonction, à la suite de laquelle un courant de fuite circulera à la jonction dans le sens opposé jeégal au photocourant, qui est constant.

Les pertes d'énergie lors de la conversion photoélectrique sont dues à l'utilisation incomplète des photons, ainsi qu'à la diffusion, la résistance et la recombinaison des électrons de conduction qui se sont déjà produites.

La cellule solaire commerciale la plus courante (cellule solaire) est la cellule à plaquettes de silicium. Il existe également d'autres types et conceptions en cours de développement pour améliorer l'efficacité et réduire le coût des cellules solaires.

L'épaisseur d'une cellule solaire dépend de sa capacité à absorber le rayonnement solaire. Les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, l'arséniure de gallium, etc. sont utilisés car ils commencent à absorber le rayonnement solaire avec une longueur d'onde suffisamment longue et peuvent en convertir une partie importante en électricité. L'absorption du rayonnement solaire par divers matériaux semi-conducteurs atteint la valeur la plus élevée lorsque l'épaisseur des plaques est de 100 à 1 micron ou moins.

Réduire l'épaisseur de la cellule solaire permet de réduire considérablement la consommation de matériaux et le coût de leur fabrication.

Les différences de capacité d'absorption des matériaux semi-conducteurs s'expliquent par des différences dans leur structure atomique.

L'efficacité de la conversion de l'énergie solaire en électricité n'est pas élevée. Pour les éléments en silex pas plus de 12 ... 14%.

Pour augmenter l'efficacité des cellules solaires, des revêtements antireflet sont utilisés sur la face avant de la cellule solaire. En conséquence, la proportion de rayonnement solaire transmis augmente. Les éléments non revêtus ont une perte de retour allant jusqu'à 30 %.

Récemment, un certain nombre de nouveaux matériaux ont été utilisés pour la fabrication de cellules solaires. L'un d'eux est le silicium amorphe qui, contrairement au silicium cristallin, n'a pas de structure régulière. Pour une structure amorphe, la probabilité d'absorption des photons et de transition vers la bande de conduction est plus élevée. Par conséquent, il a une grande capacité d'absorption. L'arséniure de gallium (GaAs) est également utilisé. Le rendement théorique des éléments à base de GaAs peut atteindre 25 %, les éléments réels ont un rendement d'environ 16 %.

La technologie des cellules solaires à couche mince est en cours de développement. Malgré le fait que l'efficacité de ces éléments dans des conditions de laboratoire ne dépasse pas 16%, ils ont un coût inférieur. Ceci est particulièrement utile pour réduire les coûts et la consommation de matériaux dans la production de masse. Aux États-Unis et au Japon, les éléments à couche mince sont fabriqués sur du silicium amorphe d'une superficie de 0,1 ... 0,4 m 2 avec un rendement de 8 ... 9%. La cellule solaire à couche mince la plus courante est celle au sulfure de cadmium (CdS) avec un rendement de 10 %.

Une autre avancée dans la technologie des cellules solaires à couche mince a été la production de cellules multicouches. Ils permettent de couvrir la majeure partie du spectre solaire.

La matière active d'une cellule solaire est assez chère. Pour une utilisation plus efficace, le rayonnement solaire est collecté à la surface de la cellule solaire à l'aide de systèmes de concentration (Fig. 2.7).

Avec une augmentation du flux de rayonnement, les caractéristiques de l'élément ne se détériorent pas si sa température est maintenue à la même température que l'air ambiant en utilisant un refroidissement actif ou passif.

Il existe un grand nombre de systèmes de concentration à base de lentilles (généralement des lentilles de Fresnel plates), de miroirs, de prismes à réflexion interne totale, etc. S'il y a une irradiation très inégale des cellules ou modules solaires, cela peut conduire à la destruction de la cellule solaire.

L'utilisation de systèmes de concentration peut réduire le coût des centrales solaires, car les cellules à concentration sont moins chères que les cellules solaires.

Avec la baisse du prix des cellules solaires, il est devenu possible de construire de grandes installations photovoltaïques. En 1984, 14 centrales solaires relativement importantes d'une capacité de 200 kW à 7 MW avaient été construites aux États-Unis, en Italie, au Japon, en Arabie saoudite et en Allemagne.

Une installation solaire photovoltaïque présente de nombreux avantages. Il utilise une source d'énergie propre et inépuisable, ne comporte aucune pièce mobile et ne nécessite donc pas une surveillance constante par le personnel de maintenance. Les cellules solaires peuvent être produites en série, ce qui entraînera une diminution de leur coût.

Les panneaux solaires sont assemblés à partir de modules solaires. Dans le même temps, il existe un grand choix de types et de tailles de ces appareils avec le même rendement de conversion d'énergie et la même technologie de production.

Étant donné que l'approvisionnement en énergie solaire est périodique, il est plus rationnel d'inclure des systèmes photovoltaïques dans les centrales électriques hybrides qui utilisent à la fois l'énergie solaire et le gaz naturel. Une nouvelle génération de turbines à gaz peut être utilisée dans ces stations. Les centrales hybrides de faible puissance, composées de panneaux photovoltaïques et de générateurs diesel, sont déjà des fournisseurs d'énergie fiables.

Fin du travail -

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Types de convertisseurs photovoltaïques

Les dispositifs les plus économes en énergie pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique (puisqu'il s'agit d'un transfert d'énergie direct en une étape) sont les convertisseurs photovoltaïques à semi-conducteurs (PEC). A une température d'équilibre de l'ordre de 300-350 Kelvin et T du soleil ~ 6000 K, caractéristique des PVC, leur efficacité théorique limite est > 90 %. Cela signifie que, grâce à l'optimisation de la structure et des paramètres du convertisseur, visant à réduire les pertes d'énergie irréversibles, il est tout à fait possible d'augmenter le rendement pratique à 50 % ou plus (dans les laboratoires, un rendement de 40 % a déjà été atteint).

La recherche théorique et le développement pratique dans le domaine de la conversion photoélectrique de l'énergie solaire ont confirmé la possibilité d'atteindre des valeurs de rendement aussi élevées avec le PV et ont identifié les principaux moyens d'atteindre cet objectif.

La conversion d'énergie dans le PVC est basée sur l'effet photovoltaïque qui se produit dans les structures semi-conductrices non homogènes lorsqu'elles sont exposées au rayonnement solaire. L'inhomogénéité de la structure du PVC peut être obtenue en dopant le même semi-conducteur avec différentes impuretés (créant des jonctions p - n) ou en combinant différents semi-conducteurs avec une énergie de gap-énergie inégale de détachement d'électrons d'un atome (créant des hétérojonctions), ou en changeant la composition chimique du semi-conducteur, conduisant à l'apparition d'un gradient de la bande interdite (création de structures à gradient d'intervalle). Diverses combinaisons des procédés ci-dessus sont également possibles. L'efficacité de conversion dépend des caractéristiques électrophysiques de la structure inhomogène du semi-conducteur, ainsi que des propriétés optiques du PVC, parmi lesquelles le rôle le plus important est joué par la photoconductivité, en raison des phénomènes de l'effet photoélectrique interne dans les semi-conducteurs lorsqu'ils sont irradiés avec lumière du soleil. Le principe de fonctionnement du PVC peut être expliqué par l'exemple des convertisseurs à jonction p-n, qui sont largement utilisés dans l'énergie solaire et spatiale moderne. Une jonction électron-trou est créée en dopant une plaque d'un matériau semi-conducteur monocristallin avec un certain type de conductivité (c'est-à-dire de type p ou n) avec une impureté, ce qui assure la création d'une couche de surface avec l'opposé type de conductivité.

La concentration du dopant dans cette couche doit être nettement supérieure à la concentration de l'impureté dans le matériau de base (monocristal d'origine) afin de neutraliser les principaux porteurs de charges libres qui y sont présents et créer une conductivité de signe opposé. Des zones d'appauvrissement avec une charge volumique positive non compensée dans la couche n et une charge volumique négative dans la couche p se forment à la limite des couches n et p en raison du flux de charge. Ensemble, ces zones forment une jonction p-n. La barrière de potentiel (différence de potentiel de contact) apparaissant à la transition empêche le passage des porteurs de charge majoritaires, c'est-à-dire électrons du côté de la couche p, mais les porteurs minoritaires passent librement dans des directions opposées. C'est cette propriété des jonctions p-n qui détermine la possibilité d'obtenir une photo-emf en irradiant un PVC avec la lumière du soleil. Les porteurs de charge hors d'équilibre (paires électron-trou) créés par la lumière dans les deux couches du PVC sont séparés à la jonction p-n : les porteurs minoritaires (c'est-à-dire les électrons) traversent librement la jonction, tandis que les principaux porteurs (trous) sont retardés. Ainsi, sous l'action du rayonnement solaire, un courant de porteurs de charge minoritaires hors d'équilibre, photoélectrons et phototrous, traversera la jonction p-n dans les deux sens, ce qui est exactement ce qui est nécessaire au fonctionnement du PVC. Si nous fermons maintenant le circuit externe, les électrons de la couche n, ayant effectué un travail sur la charge, retourneront à la couche p et se recombineront (combineront) avec des trous se déplaçant à l'intérieur du PVC dans le sens opposé. Il existe un système de contact à la surface de la structure semi-conductrice du PVC pour la collecte et l'élimination des électrons dans le circuit externe. Sur la face avant éclairée du convertisseur, les contacts sont réalisés sous forme de grille ou de peigne, et sur la face arrière ils peuvent être pleins.

Les principales pertes d'énergie irréversibles dans le PVC sont liées à :

• réflexion du rayonnement solaire depuis la surface du transducteur,
• le passage d'une partie du rayonnement à travers le PVC sans absorption dans celui-ci,
• diffusion de l'énergie photonique en excès sur les vibrations thermiques du réseau,
• par recombinaison des photocouples formés sur les surfaces et dans le volume du PVC,
• résistance interne du convertisseur,
• et d'autres processus physiques.

Pour réduire tous les types de pertes d'énergie dans le FEP, diverses mesures sont développées et appliquées avec succès. Ceux-ci inclus:

• l'utilisation de semi-conducteurs avec une bande interdite optimale pour le rayonnement solaire ;
• amélioration directionnelle des propriétés d'une structure semi-conductrice au moyen de son dopage optimal et de la création de champs électriques intégrés ;
• transition de structures semi-conductrices homogènes à hétérogènes et à intervalle gradué ;
• optimisation des paramètres de conception du PVC (la profondeur de la jonction p-n, l'épaisseur de la couche de base, la fréquence de la grille de contact, etc.) ;
• l'utilisation de revêtements optiques multifonctionnels qui assurent l'antireflet, le contrôle thermique et la protection des cellules solaires contre le rayonnement cosmique ;
• développement de PVC transparents dans la région des grandes longueurs d'onde du spectre solaire au-delà du bord de la bande d'absorption principale ;
• création de PVC en cascade à partir de semi-conducteurs spécialement sélectionnés pour la largeur de la zone interdite, qui permettent de convertir dans chaque cascade le rayonnement ayant traversé la cascade précédente, etc. ;

En outre, une augmentation significative de l'efficacité du PVC a été obtenue en créant des convertisseurs avec une sensibilité des deux côtés (jusqu'à + 80% par rapport à l'efficacité déjà existante d'un côté), l'utilisation de structures ré-émettrices luminescentes, la décomposition préalable de l'énergie solaire spectre en deux ou plusieurs régions spectrales à l'aide de séparateurs de faisceau à film multicouche (miroirs dichroïques) avec transformation ultérieure de chaque partie du spectre par un PVC séparé, etc.

Dans les systèmes de conversion d'énergie des SES (centrales solaires), en principe, tous les types de cellules photovoltaïques de diverses structures créées et en cours de développement peuvent être utilisées sur la base de divers matériaux semi-conducteurs, mais toutes ne satisfont pas à l'ensemble des exigences pour ces systèmes :

• haute fiabilité avec une longue (des dizaines d'années!) ressource de travail;
• la disponibilité de matières premières en quantité suffisante pour la fabrication des éléments du système de transformation et la possibilité d'organiser leur production en série ;
• des coûts énergétiques acceptables en termes de délais de récupération pour la création d'un système de conversion ;
• la consommation d'énergie et de masse minimale associée au contrôle du système de conversion et de transport d'énergie (espace), y compris l'orientation et la stabilisation de la station dans son ensemble ;
• Facilité d'entretien.

Ainsi, par exemple, certains matériaux prometteurs sont difficiles à obtenir dans les quantités nécessaires à la création de SES en raison des réserves naturelles limitées de matières premières et de la complexité de leur transformation. Certaines méthodes d'amélioration des caractéristiques énergétiques et opérationnelles des PVC, par exemple en créant des structures complexes, sont peu compatibles avec les possibilités d'organiser leur production en série à faible coût, etc. Une productivité élevée ne peut être atteinte qu'avec l'organisation d'une production entièrement automatisée de FEP, par exemple, basée sur la technologie des bandes, et la création d'un réseau développé d'entreprises spécialisées du profil correspondant, c'est-à-dire. en fait, toute une industrie, à la mesure de l'industrie radio-électronique moderne. La fabrication de cellules solaires et l'assemblage de cellules solaires sur des lignes automatisées réduiront le coût d'un module de batterie de 2 à 2,5 fois.

Le silicium et l'arséniure de gallium (GaAs) sont actuellement considérés comme les matériaux les plus probables pour les systèmes photovoltaïques de conversion de l'énergie solaire SES, et dans ce dernier cas, on parle de convertisseurs hétérophotovoltaïques (HFP) avec la structure AlGaAs-GaAs.

Les PVC (convertisseurs photovoltaïques) à base d'un composé d'arsenic et de gallium (GaAs) sont connus pour avoir un rendement théorique plus élevé que les PVC au silicium, car leur bande interdite coïncide pratiquement avec la bande interdite optimale pour les convertisseurs d'énergie solaire à semi-conducteurs = 1,4 eV. Pour le silicium, cet indice = 1,1 eV.

En raison du niveau d'absorption plus élevé du rayonnement solaire, déterminé par les transitions optiques directes dans GaAs, une efficacité élevée des PVC à base de ceux-ci peut être obtenue avec une épaisseur de PVC beaucoup plus petite que celle du silicium. En principe, il suffit d'avoir une épaisseur de HFP de 5-6 microns pour obtenir une efficacité de l'ordre d'au moins 20%, alors que l'épaisseur des éléments en silicium ne peut être inférieure à 50-100 microns sans une diminution notable de leur efficacité. . Cette circonstance permet de compter sur la création de film léger HFP, pour la fabrication duquel relativement peu de matière première est nécessaire, surtout s'il est possible d'utiliser non pas GaAs comme substrat, mais un autre matériau, par exemple, du saphir synthétique ( Al2 O3).

Les HFP ont également des caractéristiques de fonctionnement plus favorables du point de vue des exigences des convertisseurs SES par rapport aux PVC au silicium. Ainsi, en particulier, la possibilité d'atteindre de faibles valeurs initiales des courants de saturation inverse dans les jonctions pn en raison de la grande bande interdite permet de minimiser la valeur des gradients de température négatifs du rendement et de la puissance HPP optimale et, en outre, d'étendre considérablement la région de la dépendance linéaire de ce dernier à la densité de flux lumineux ... Les dépendances expérimentales de l'efficacité des HFP vis-à-vis de la température indiquent qu'une augmentation de la température d'équilibre de ces dernières à 150-180°C n'entraîne pas une diminution significative de leur efficacité et de leur puissance spécifique optimale. Dans le même temps, pour les PVC au silicium, une augmentation de la température au-dessus de 60-70 ° C est presque critique - l'efficacité diminue de moitié.

De par leur résistance aux températures élevées, les cellules solaires à l'arséniure de gallium permettent de leur appliquer des concentrateurs de rayonnement solaire. La température de fonctionnement des HFP sur GaAs atteint 180°C, ce qui est déjà des températures de fonctionnement assez importantes pour les moteurs thermiques et les turbines à vapeur. Ainsi, au rendement intrinsèque de 30% de l'arséniure de gallium HFP (à 150°C), on peut ajouter le rendement d'un moteur thermique utilisant la chaleur perdue du liquide refroidissant les photocellules. Par conséquent, le rendement global de l'installation, qui utilise également le troisième cycle d'extraction de chaleur à basse température du liquide de refroidissement après la turbine pour le chauffage des locaux, peut même être supérieur à 50-60%.

De plus, les HFP à base de GaAs sont, dans une bien moindre mesure que les PVC au silicium, sujets à la destruction par des flux de protons et d'électrons à haute énergie en raison du niveau élevé d'absorption lumineuse dans GaAs, ainsi que des faibles valeurs requises de la durée de vie et durée de diffusion des porteurs minoritaires. De plus, des expérimentations ont montré qu'une partie importante des défauts de rayonnement dans les HFP à base de GaAs disparaissait après leur traitement thermique (recuit) à une température d'à peine environ 150-180°C. Si les centrales hydroélectriques de GaAs fonctionnent en permanence à une température d'environ 150°C, alors le degré de dégradation par rayonnement de leur efficacité sera relativement faible pendant toute la période d'exploitation active des stations (ceci est particulièrement vrai pour les centrales solaires spatiales, par exemple dont le faible poids et la taille des PVC et une haute efficacité sont importants) ...

En général, nous pouvons conclure que l'énergie, la masse et les caractéristiques opérationnelles des HFP à base de GaAs sont plus conformes aux exigences de SES et SCES (espace) que les caractéristiques des PVC de silicium. Cependant, le silicium est un matériau beaucoup plus facilement disponible et largement utilisé dans la production que l'arséniure de gallium. Le silicium est répandu dans la nature et l'approvisionnement en matières premières pour la création de PVC sur sa base est pratiquement illimité. La technologie de fabrication des cellules solaires au silicium est bien développée et est constamment améliorée. Il existe une réelle perspective de réduire le coût des cellules solaires au silicium d'un ou deux ordres de grandeur en introduisant de nouveaux procédés de fabrication automatisés, qui permettent notamment d'obtenir des rubans de silicium, des cellules solaires de grande surface, etc.

Les prix des batteries photovoltaïques au silicium ont diminué de 20 à 30 fois en 25 ans, passant de 70 à 100 $ / watt dans les années 70 à 3,5 $ / watt en 2000 et continuent de baisser. En Occident, une révolution dans le secteur de l'énergie est attendue au moment où le prix franchit le cap des 3 $. Selon certains calculs, cela pourrait déjà arriver en 2002, mais pour la Russie avec les tarifs énergétiques actuels, ce moment viendra où le prix de 1 watt SB 0,3-0,5 $, c'est-à-dire à un prix inférieur d'un ordre de grandeur. Pris ensemble, ils jouent un rôle : les tarifs, le climat, les latitudes géographiques, la capacité de l'État à faire des prix réels et des investissements à long terme. Dans les structures fonctionnant réellement avec des hétérojonctions, le rendement atteint aujourd'hui plus de 30%, et dans les semi-conducteurs homogènes tels que le silicium monocristallin - jusqu'à 18%. Le rendement moyen des cellules solaires à base de silicium monocristallin est aujourd'hui d'environ 12 %, bien qu'il atteigne 18 %. Il s'agit essentiellement de SB de silicium que l'on peut voir aujourd'hui sur les toits des maisons du monde entier.

Contrairement au silicium, le gallium est un matériau très rare, ce qui limite les possibilités de produire des HFP à base de GaAs dans les quantités nécessaires à une large diffusion.

Le gallium est principalement extrait de la bauxite, mais la possibilité de l'obtenir à partir de cendres de charbon et d'eau de mer est également envisagée. Les plus grandes réserves de gallium se trouvent dans l'eau de mer, mais sa concentration y est très faible, le taux de récupération est estimé à seulement 1% et, par conséquent, le coût de production risque d'être prohibitif. La technologie de production de HFP à base de GaAs par des méthodes d'épitaxie liquide et gazeuse (croissance orientée d'un monocristal à la surface d'un autre (sur un substrat)) n'est pas encore développée à un point tel que la technologie de production de silicium PVC, et par conséquent, le coût du HFP est maintenant nettement plus élevé (par commandes) que le coût du PVC à partir du silicium.

Dans les engins spatiaux, où les batteries solaires sont la principale source de courant et où des rapports clairs de masse, de taille et d'efficacité sont très importants, le principal matériau du soleil. la batterie, bien sûr, est à l'arséniure de gallium. Très important pour l'espace SES est la capacité de ce composé dans les PVC à ne pas perdre en efficacité lorsqu'il est chauffé par 3 à 5 fois le rayonnement solaire concentré, ce qui, par conséquent, réduit le besoin de gallium rare. Une réserve supplémentaire d'économie de gallium est associée à l'utilisation de saphir synthétique (Al2O3) plutôt que de GaAs comme substrat HFP.

Le coût des HFP dans leur production de masse basée sur la technologie améliorée sera probablement également considérablement réduit, et en général, le coût du système de conversion du système de conversion de puissance de la SES basé sur les HFP de GaAs peut être tout à fait comparable au coût du système à base de silicium. Ainsi, à l'heure actuelle, il est difficile de donner complètement une préférence claire à l'un des deux matériaux semi-conducteurs considérés - le silicium ou l'arséniure de gallium, et seul le développement ultérieur de leur technologie de production montrera quelle option sera la plus rationnelle pour le solaire terrestre et spatial. ingénieurs de puissance. Dans la mesure où les SB émettent du courant continu, la tâche se pose de le transformer en un courant alternatif industriel de 50 Hz, 220 V. Une classe particulière d'appareils - les onduleurs - fait parfaitement face à cette tâche.

Calcul du système photovoltaïque.

L'énergie des cellules solaires peut être utilisée de la même manière que l'énergie des autres sources d'énergie, à la différence près que les cellules solaires n'ont pas peur des courts-circuits. Chacun d'eux est conçu pour maintenir une certaine intensité de courant à une tension donnée. Mais contrairement aux autres sources de courant, les caractéristiques d'une cellule solaire dépendent de la quantité de lumière tombant à sa surface. Par exemple, un cloud venant en sens inverse peut réduire la puissance de sortie de plus de 50 %. De plus, les écarts de modes technologiques entraînent une dispersion des paramètres de sortie des éléments d'un lot. Par conséquent, la volonté de maximiser le rendement des convertisseurs photovoltaïques conduit à la nécessité de trier les cellules en fonction du courant de sortie. Comme exemple illustratif de « un mouton moche gâchant tout le troupeau », nous pouvons citer ce qui suit : coupez une section d'un tuyau d'un diamètre beaucoup plus petit dans une rupture d'une conduite d'eau de grand diamètre, en conséquence, le cours d'eau être fortement réduite. Quelque chose de similaire se produit dans une chaîne de cellules solaires qui ne sont pas uniformes en termes de paramètres de sortie.

Les cellules solaires au silicium sont des dispositifs non linéaires et leur comportement ne peut pas être décrit par une formule simple comme la loi d'Ohm. Au lieu de cela, pour expliquer les caractéristiques d'un élément, vous pouvez utiliser une famille de courbes faciles à comprendre - caractéristiques courant-tension (VAC)

La tension en circuit ouvert générée par une cellule varie légèrement d'une cellule à l'autre dans un lot et d'un fabricant à l'autre et est d'environ 0,6 V. Cette valeur ne dépend pas de la taille de la cellule. La situation est différente avec le courant. Cela dépend de l'intensité de la lumière et de la taille de l'élément, c'est-à-dire de sa surface.

Un élément d'une taille de 100 100 mm est 100 fois plus gros qu'un élément d'une taille de 10 10 mm et, par conséquent, sous le même éclairage, il donnera un courant 100 fois plus important.

En chargeant l'élément, vous pouvez tracer la dépendance de la puissance de sortie sur la tension, en obtenant quelque chose de similaire à celui illustré à la Fig. 2

La puissance crête correspond à une tension d'environ 0,47 V. Ainsi, afin d'évaluer correctement la qualité d'une cellule solaire, ainsi que dans un souci de comparer les éléments entre eux dans les mêmes conditions, il est nécessaire de la charger de sorte que la tension de sortie soit de 0,47 V. Après le solaire, les éléments sont sélectionnés pour le travail, vous devez les souder. Les éléments en série sont équipés de grilles collectrices conçues pour y souder des conducteurs.

Les batteries peuvent être combinées dans n'importe quelle combinaison souhaitée. La batterie la plus simple est une chaîne de cellules connectées en série. Vous pouvez également connecter des chaînes en parallèle pour former une connexion série-parallèle.

Un point important dans le fonctionnement des cellules solaires est leur régime de température. Lorsque l'élément est chauffé d'un degré au-dessus de 25°C, il perd 0,002 V en tension, c'est-à-dire 0,4% / degré. La figure 3 montre une famille de caractéristiques I - V pour des températures de 25 ° et 60 ° .

Par une belle journée ensoleillée, les éléments chauffent jusqu'à 60-70 ° C, perdant 0,07-0,09 V chacun. C'est la principale raison de la diminution du rendement des cellules solaires, entraînant une chute de tension générée par la cellule. L'efficacité d'une cellule solaire conventionnelle varie actuellement de 10 à 16 %. Cela signifie qu'une cellule d'une taille de 100 à 100 mm dans des conditions standard peut générer 1 à 1,6 watts.

Tous les systèmes photovoltaïques peuvent être divisés en deux types : autonomes et connectés au réseau. Les stations du second type donnent un surplus d'énergie au réseau, qui sert de réserve en cas de déficit énergétique interne.

Un système autonome se compose généralement d'un ensemble de modules solaires situés sur une structure porteuse ou en toiture, d'un accumulateur (accumulateur), d'un contrôleur de décharge - charge de batterie, et de câbles de liaison. Les modules solaires sont le composant principal pour la construction de systèmes photovoltaïques. Ils peuvent être fabriqués avec n'importe quelle tension de sortie.

Une fois les cellules solaires sélectionnées, elles doivent être soudées. Les éléments en série sont équipés de grilles collectrices pour y souder des conducteurs. Les batteries peuvent être combinées dans n'importe quelle combinaison.

La batterie la plus simple est une chaîne de cellules connectées en série.

Vous pouvez connecter ces chaînes en parallèle pour créer une connexion dite série-parallèle. En parallèle, seules des chaînes (règles) avec des tensions identiques peuvent être connectées, tandis que leurs courants sont additionnés selon la loi de Kirchhoff.

Pour une utilisation au sol, ils sont généralement utilisés pour charger des accumulateurs (accumulateurs) avec une tension nominale de 12 V. Dans ce cas, en règle générale, 36 cellules solaires sont connectées en série et scellées par laminage sur verre, PCB, aluminium. Dans ce cas, les éléments sont situés entre deux couches d'un film d'étanchéité, sans entrefer. La technologie de laminage sous vide répond à cette exigence. Dans le cas d'un entrefer entre le verre de protection et l'élément, les pertes par réflexion et absorption atteindraient 20-30% contre 12% sans entrefer.

Les paramètres électriques d'une cellule solaire sont présentés comme une cellule solaire distincte sous la forme d'une courbe volt-ampère dans des conditions de test standard, c'est-à-dire avec un rayonnement solaire de 1000 W/m2, une température - 25°C et un spectre solaire à 45° latitude (AM1.5) ...

Le point d'intersection de la courbe avec l'axe des tensions s'appelle la tension en circuit ouvert - Uxx, le point d'intersection avec l'axe des courants - le courant de court-circuit Isc.

La puissance maximale d'un module est définie comme la puissance la plus élevée au STC (Standard Test Conditions). La tension correspondant à la puissance maximale est appelée tension de puissance maximale (tension de fonctionnement - Up), et le courant correspondant est appelé courant de puissance maximale (courant de fonctionnement - Ip).

La tension de fonctionnement pour un module de 36 éléments sera donc d'environ 16...17 V (0,45...0,47 V par élément) à 25°C.

Une telle marge de tension par rapport à la tension de pleine charge de la batterie (14,4 V) est nécessaire pour compenser les pertes dans le contrôleur de charge-décharge de la batterie (nous en reparlerons plus tard), et fondamentalement - une diminution de la tension de fonctionnement du module lorsque le module est chauffé par rayonnement : Le coefficient de température pour le silicium est d'environ moins 0,4%/degré (0,002 V/degré pour une cellule).

Il est à noter que la tension en circuit ouvert du module dépend peu de l'éclairement, tandis que le courant de court-circuit, et par conséquent le courant de fonctionnement, est directement proportionnel à l'éclairement.

Ainsi, lorsqu'ils sont chauffés dans des conditions de fonctionnement réelles, les modules sont chauffés à une température de 60-70 ° C, ce qui correspond au décalage du point de tension de fonctionnement, par exemple, pour un module avec une tension de fonctionnement de 17 V - de 17 V à 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V par cellule).

Sur la base de ce qui précède, il est nécessaire d'aborder le calcul du nombre d'éléments connectés en série du module.Si le consommateur a besoin d'une tension alternative, un onduleur-convertisseur de tension continue en tension alternative est ajouté à cet ensemble .

Par calcul de FES, on entend la détermination de la puissance nominale des modules, leur nombre, les schémas de raccordement ; sélection du type, des conditions de fonctionnement et de la capacité de la batterie ; les capacités de l'onduleur et du contrôleur de charge-décharge ; détermination des paramètres des câbles de raccordement.

Tout d'abord, il est nécessaire de déterminer la puissance totale de tous les consommateurs connectés en même temps. La puissance de chacun d'eux est mesurée en watts et est indiquée dans les passeports des produits. A ce stade, il est déjà possible de sélectionner la puissance de l'onduleur, qui doit être au moins 1,25 fois celle calculée. Il convient de garder à l'esprit qu'un appareil aussi délicat qu'un réfrigérateur à compresseur au moment de la mise en service consomme 7 fois plus d'énergie que le passeport.

La plage nominale des onduleurs est de 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Pour les stations puissantes (plus de 1 kW), la tension de la station est choisie au moins 48 V, car à des puissances plus élevées, les onduleurs fonctionnent mieux avec des tensions d'entrée plus élevées.

L'étape suivante consiste à déterminer la capacité de la batterie. La capacité de la batterie est choisie parmi une gamme standard de conteneurs arrondis au côté plus grand que celui calculé. Et la capacité calculée est obtenue en divisant simplement la puissance totale des consommateurs par le produit de la tension de la batterie par la valeur de la profondeur de décharge de la batterie en fractions.

Par exemple, si la puissance totale des consommateurs est de 1 000 Wh par jour et que la profondeur de décharge admissible d'une batterie de 12 V est de 50 %, la capacité calculée sera :

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

Lors du calcul de la capacité de la batterie en mode totalement autonome, il faut prendre en compte la présence de jours nuageux dans la nature pendant lesquels la batterie doit assurer le travail des consommateurs.

La dernière étape consiste à déterminer la puissance totale et le nombre de modules solaires. Le calcul nécessitera la valeur du rayonnement solaire, qui est prise pendant la période de fonctionnement de la station, lorsque le rayonnement solaire est minimal. Dans le cas d'une utilisation toute l'année, il s'agit de décembre.

La section « météorologie » donne les valeurs mensuelles et annuelles totales du rayonnement solaire pour les principales régions de la Russie, ainsi qu'une gradation selon différentes orientations du plan récepteur de lumière.

En prenant de là la valeur du rayonnement solaire pour la période qui nous intéresse et en la divisant par 1000, nous obtenons ce qu'on appelle le nombre d'heures-pic, c'est-à-dire le temps conditionnel pendant lequel le soleil brille, pour ainsi dire, avec une intensité de 1000 W/m2.

Par exemple, pour la latitude de Moscou et le mois de juillet, la valeur du rayonnement solaire est de 167 kWh/m2 lorsque le site est orienté au sud à un angle de 40o par rapport à l'horizon. Cela signifie que le soleil moyen brille en juillet pendant 167 heures (5,5 heures par jour) avec une intensité de 1000 W/m2, bien que l'éclairement maximal à midi sur un site orienté perpendiculairement au flux lumineux ne dépasse pas 700-750 W/ m2.

Le module de puissance Pw pendant la période sélectionnée générera la quantité d'énergie suivante : W = k Pw E / 1000, où E est la valeur d'ensoleillement pour la période sélectionnée, k est le coefficient égal à 0,5 en été et 0,7 en hiver.

Ce facteur corrige la perte de puissance des cellules solaires lorsqu'elles sont chauffées au soleil, et prend également en compte l'incidence oblique des rayons sur la surface des modules pendant la journée.

La différence de sa valeur en hiver et en été est due à moins de chauffage des éléments en hiver.

Sur la base de la puissance totale de l'énergie consommée et de la formule ci-dessus, il est facile de calculer la puissance totale des modules. Et le sachant, en le divisant simplement par la capacité d'un module, on obtient le nombre de modules.

Lors de la création d'un PVP, il est fortement recommandé de réduire au maximum le pouvoir des consommateurs. Par exemple, n'utilisez (si possible) que des lampes fluorescentes comme sources d'éclairage. De telles lampes, avec une consommation 5 fois moindre, fournissent un flux lumineux équivalent au flux lumineux d'une lampe à incandescence.

Pour les petites centrales photovoltaïques, il est conseillé d'installer ses modules sur un support pivotant pour une rotation optimale par rapport aux faisceaux incidents. Cela augmentera la capacité de la station de 20 à 30 %.

Un peu sur les onduleurs.

Les onduleurs ou convertisseurs de courant continu en courant alternatif sont conçus pour fournir une alimentation électrique de haute qualité à divers équipements et appareils en l'absence ou la mauvaise qualité d'un réseau de courant alternatif avec une fréquence de 50 Hz et une tension de 220 V, diverses situations d'urgence , etc.

L'onduleur est un convertisseur d'impulsions 12 (24, 48, 60) V CC en courant alternatif avec une tension stabilisée de 220 V et une fréquence de 50 Hz. La plupart des onduleurs ont une tension SINUSOIDDE STABILISÉE à la sortie, ce qui leur permet d'être utilisés pour alimenter presque tous les équipements et appareils.

Structurellement, l'onduleur se présente sous la forme d'une unité de table. Sur le panneau avant de l'onduleur se trouvent un interrupteur de fonctionnement du produit et un indicateur de fonctionnement de l'onduleur. Sur le panneau arrière du produit, il y a des fils (bornes) pour connecter une source CC, par exemple, une batterie, une borne de mise à la terre pour le boîtier de l'onduleur, un trou avec un ventilateur (refroidissement), une prise euro à trois pôles pour la connexion la charge.

La tension stabilisée à la sortie de l'onduleur vous permet de fournir une alimentation électrique de haute qualité à la charge avec des changements / fluctuations de la tension à l'entrée, par exemple, lorsque la batterie est déchargée, ou des fluctuations du courant consommé par la charge . L'isolation galvanique garantie de la source DC à l'entrée et du circuit AC avec la charge à la sortie de l'onduleur vous permet de ne pas prendre de mesures supplémentaires pour assurer la sécurité de fonctionnement lors de l'utilisation de diverses sources DC ou de tout équipement électrique. Le refroidissement forcé de l'unité de puissance et le faible niveau sonore lors du fonctionnement de l'onduleur permettent, d'une part, d'assurer un bon poids et dimensions du produit, d'autre part, avec ce type de refroidissement, il ne crée pas de désagréments en fonctionnement sous forme de bruit.

• Panneau de commande intégré avec affichage électronique
• Potentiomètre de capacité qui permet des réglages précis
• Bande goupillée normalisée : WE WY STEROW
• Tour de frein intégré
• Radiateur avec ventilateur
• Fixation esthétique
• Alimentation 230 V - 400 V
• Surcharge 150% - 60s
• Temps de décollage 0,01 ... 1000 secondes
• Filtre électrique intégré, classe A
• Température de fonctionnement : de -5°C - à + 45°C
• Port RS485
• Régulation par pas de fréquence : 0,01 Hz - 1 kHz
• Classe de protection IP20

Fournit fonctionnellement: augmentation, diminution de la fréquence, contrôle de la surcharge, de la surchauffe.



La plupart des énergies renouvelables - hydroélectricité, énergie mécanique et thermique des océans, éolien et géothermie - se caractérisent soit par un potentiel limité, soit par des difficultés importantes de généralisation. Le potentiel total de la plupart des sources d'énergie renouvelables n'augmentera la consommation d'énergie par rapport au niveau actuel que d'un ordre de grandeur. Mais il existe une autre source d'énergie - le soleil. Le Soleil, une étoile spectrale de classe 2, une naine jaune, est une étoile très moyenne dans tous ses principaux paramètres : masse, rayon, température et magnitude absolue. Mais cette étoile a une caractéristique unique - c'est "notre étoile", et l'humanité doit toute son existence à cette étoile du milieu. Notre luminaire fournit à la Terre une puissance d'environ 10 17 W - telle est la puissance d'un "rayon de soleil" d'un diamètre de 12,7 mille km, qui illumine en permanence la face de notre planète tournée vers le Soleil. L'intensité de la lumière solaire au niveau de la mer aux latitudes méridionales, lorsque le Soleil est à son zénith, est de 1 kW/m2. En développant des méthodes hautement efficaces de conversion de l'énergie solaire, le soleil peut répondre aux besoins énergétiques croissants pendant plusieurs centaines d'années.

Les arguments des opposants à l'utilisation à grande échelle de l'énergie solaire se résument principalement aux arguments suivants :

1. La puissance spécifique du rayonnement solaire est faible et la conversion à grande échelle de l'énergie solaire nécessitera de très grandes surfaces.

2. La conversion de l'énergie solaire est très coûteuse et nécessite des coûts de matériaux et de main-d'œuvre presque irréalistes.

En effet, quelle sera la superficie de la Terre couverte par les systèmes de conversion pour la production d'une part notable d'électricité dans le budget énergétique mondial ? Évidemment, ce domaine dépend de l'efficacité des systèmes de conversion utilisés. Pour évaluer l'efficacité des convertisseurs photovoltaïques qui convertissent directement l'énergie solaire en énergie électrique à l'aide de cellules photoélectriques à semi-conducteur, nous introduisons le concept d'efficacité (efficacité) d'une cellule photoélectrique, définie comme le rapport de la puissance électrique générée par cet élément à la puissance d'un rayon de soleil tombant sur la surface de la cellule photoélectrique. Ainsi, avec un rendement des convertisseurs solaires égal à 10 % (valeurs typiques du rendement des cellules photovoltaïques au silicium, largement maîtrisées en production industrielle en série pour les besoins de l'énergie au sol), produire 10 12 W d'électricité, il serait nécessaire pour couvrir une superficie de 4 * 10 10 m 2 égale à un carré de 200 km de côté. Dans ce cas, l'intensité du rayonnement solaire est prise égale à 250 W/m2, ce qui correspond à une valeur moyenne typique tout au long de l'année pour les latitudes sud. C'est-à-dire que la "faible densité" du rayonnement solaire n'est pas un obstacle au développement de l'énergie solaire à grande échelle.

Les considérations ci-dessus sont un argument assez fort : le problème de la conversion de l'énergie solaire doit être résolu aujourd'hui pour utiliser cette énergie demain. Vous pouvez au moins considérer ce problème en plaisantant dans le cadre de la résolution des problèmes énergétiques pour la fusion thermonucléaire contrôlée, lorsqu'un réacteur efficace (le Soleil) a été créé par la nature elle-même et fournit une ressource d'exploitation fiable et sûre pendant plusieurs millions d'années, et notre tâche consiste uniquement à développer une sous-station de conversion au sol. Récemment, des recherches approfondies dans le domaine de l'énergie solaire ont été menées dans le monde, qui ont montré que dans un avenir proche, cette méthode d'obtention d'énergie peut devenir économiquement justifiée et trouver une large application.

La Russie est riche en ressources naturelles. Nous avons d'importantes réserves de combustibles fossiles - charbon, pétrole, gaz. Cependant, l'utilisation de l'énergie solaire est également d'une grande importance pour notre pays. Malgré le fait qu'une partie importante du territoire de la Russie se situe dans les hautes latitudes, certaines très grandes régions du sud de notre pays, en termes de climat, sont très favorables à l'utilisation généralisée de l'énergie solaire.

L'utilisation de l'énergie solaire dans les pays de la ceinture équatoriale de la Terre et les régions proches de cette ceinture, caractérisées par un niveau élevé d'approvisionnement en énergie solaire, a des perspectives encore plus grandes. Ainsi, dans un certain nombre de régions d'Asie centrale, la durée d'irradiation solaire directe atteint 3000 heures par an, et l'arrivée annuelle d'énergie solaire sur une surface horizontale est de 1500 - 1850 kW o heure / m 2.

Les principaux domaines de travail dans le domaine de la conversion de l'énergie solaire sont actuellement :

- chauffage thermique direct (obtention d'énergie thermique) et transformation thermodynamique (obtention d'énergie électrique avec conversion intermédiaire de l'énergie solaire en énergie thermique) ;

- conversion photovoltaïque de l'énergie solaire.

Le chauffage thermique direct est la méthode la plus simple pour convertir l'énergie solaire et est largement utilisé dans les régions du sud de la Russie et dans les pays de la ceinture équatoriale dans les installations de chauffage solaire, l'approvisionnement en eau chaude, le refroidissement des bâtiments, le dessalement, etc. La base des installations utilisant de la chaleur solaire est constituée de capteurs solaires plats - absorbeurs de rayonnement solaire. L'eau ou un autre liquide, étant en contact avec l'absorbeur, est chauffé et au moyen d'une pompe ou d'une circulation naturelle en est évacué. Ensuite, le liquide chauffé entre dans le stockage, d'où il est consommé selon les besoins. Un tel appareil ressemble à un système d'alimentation en eau chaude sanitaire.

L'électricité est la forme d'énergie la plus pratique pour l'utilisation et la transmission. Par conséquent, l'intérêt des chercheurs pour le développement et la création de centrales solaires utilisant la conversion intermédiaire de l'énergie solaire en chaleur avec sa conversion ultérieure en électricité est compréhensible.

Dans le monde, les centrales solaires thermiques de deux types sont désormais les plus courantes : 1) type tour avec concentration de l'énergie solaire sur un seul récepteur solaire, réalisée à l'aide d'un grand nombre de miroirs plats ; 2) des systèmes dispersés de paraboloïdes et de cylindres paraboliques, au centre desquels sont placés des récepteurs thermiques et des convertisseurs de faible puissance.

2. DÉVELOPPEMENT DE L'ÉNERGIE SOLAIRE

À la fin des années 70 et au début des années 80, sept centrales solaires pilotes (SPP) de type tour d'une puissance de 0,5 à 10 MW ont été construites dans différents pays du monde. La plus grande centrale solaire d'une capacité de 10 MW (Solar Оne) a été construite en Californie. Tous ces SES sont construits sur le même principe : un champ situé au niveau du sol de miroirs héliostats qui suivent le soleil réfléchit les rayons du soleil sur un récepteur-récepteur monté au sommet d'une tour assez haute. Le récepteur est essentiellement une chaudière solaire, qui génère de la vapeur de taille moyenne, qui est ensuite envoyée à une turbine à vapeur standard.

A l'heure actuelle, aucune de ces SPP n'est plus en activité, puisque les programmes de recherche prévus pour elles sont terminés et que leur exploitation en centrales électriques commerciales s'est avérée non rentable. En 1992, la société Edison en Californie du Sud a fondé un consortium d'entreprises énergétiques et industrielles qui, avec le département américain de l'Énergie, financent un projet de création d'une centrale solaire à tour grâce à la rénovation de Solar One. La capacité de Solar Two dans le cadre du projet devrait être de 10 MW, c'est-à-dire rester la même qu'avant. L'idée principale de la reconstruction prévue est de remplacer le récepteur existant par une production directe de vapeur d'eau par un caloporteur intermédiaire (sels de nitrate). Le programme SPP comprendra un réservoir de stockage de nitrate au lieu de l'accumulateur de gravier utilisé dans Solar One avec de l'huile à haute température comme caloporteur. Le lancement du SPP reconstruit était prévu pour 1996. Les développeurs y voient un prototype, qui permettra à l'étape suivante de créer une centrale solaire d'une capacité de 100 MW. On suppose qu'avec une telle échelle, ce type de SPP sera compétitif avec les TPP à combustibles fossiles.

Le deuxième projet - une centrale solaire à tour PHOEBUS est mis en œuvre par un consortium allemand. Le projet consiste en la création d'une centrale solaire hybride (solaire-combustible) de démonstration d'une capacité de 30 MW avec un récepteur volumétrique dans lequel l'air atmosphérique sera chauffé, qui sera ensuite envoyé dans une chaudière à vapeur, où la vapeur d'eau est générée, qui fonctionne dans le cycle de Rankine. Sur le chemin de l'air du réservoir à la chaudière, on suppose un brûleur pour brûler du gaz naturel, dont la quantité est régulée de manière à maintenir une puissance donnée tout au long de la journée. Les calculs montrent que, par exemple, pour un rayonnement solaire annuel de 6,5 GJ / m2 (similaire à celui qui est typique pour les régions du sud de l'Ukraine), ce SPP, qui a une surface totale d'héliostat de 160 000 m2, recevra 290,2 GW * h/an d'énergie solaire, et la quantité d'énergie introduite avec du carburant sera de 176,0 GW * h/an. Parallèlement, la SPP produit 87,9 GW*h d'électricité par an avec un rendement annuel moyen de 18,8%. Avec de tels indicateurs, le coût de l'électricité produite à SES peut être attendu au niveau des TPP utilisant des combustibles fossiles.

Depuis le milieu des années 80, en Californie du Sud, LUZ a créé et mis en exploitation commerciale neuf SPP à concentrateurs cylindriques paraboliques (PCC) avec des capacités unitaires, qui sont passées du premier SPP au suivant de 13,8 à 80 MW. La capacité totale de ces SPP a atteint 350 MW. Dans ces SES, nous avons utilisé un PCC avec une ouverture qui augmentait lors du passage du premier SES au suivant. En suivant le soleil sur un seul axe, les concentrateurs concentrent le rayonnement solaire sur des récepteurs tubulaires enfermés dans des tubes sous vide. Un caloporteur liquide à haute température circule à l'intérieur du récepteur, qui chauffe jusqu'à 380 ° C et cède ensuite la chaleur de la vapeur d'eau au générateur de vapeur. Le schéma de ces SPP prévoit également la combustion d'une certaine quantité de gaz naturel dans un générateur de vapeur pour produire de l'électricité de pointe supplémentaire, ainsi que pour compenser la diminution de l'ensoleillement.

Ces SES ont été créés et exploités à une époque où il existait des lois aux États-Unis qui autorisaient SES à fonctionner sans perte. L'expiration de ces lois à la fin des années 80 a entraîné la faillite de la société LUZ et l'arrêt de la construction de nouvelles SPP de ce type.

La société KJC (Kramеr Junction Company), qui exploitait cinq des neuf SPP construits (de 3 à 7), s'est donné pour mission d'augmenter l'efficacité de ces SPP, de réduire le coût de leur fonctionnement et de les rendre économiquement attractifs dans le nouveau conditions. À l'heure actuelle, ce programme est mis en œuvre avec succès.

La Suisse est devenue l'un des leaders dans l'utilisation de l'énergie solaire. En 1997, environ 2 600 centrales solaires basées sur des convertisseurs photovoltaïques d'une capacité de 1 à 1 000 kW ont été construites ici. Le programme, baptisé "Solar-91" et mené sous le slogan "Pour une Suisse non volatile", apporte une contribution significative à la résolution des problèmes environnementaux et à l'indépendance énergétique du pays, qui importe désormais plus de 70% de l'énergie. Une centrale solaire d'une capacité de 2-3 kW est le plus souvent montée sur les toits et les façades des bâtiments. Une telle installation génère en moyenne 2 000 kWh d'électricité par an, ce qui est suffisant pour les besoins domestiques d'un foyer suisse moyen. De grandes entreprises installent des installations solaires sur les toits de bâtiments industriels d'une capacité allant jusqu'à 300 kW. Une telle station couvre les besoins de l'entreprise en électricité à 50-60%.

Dans les conditions des hauts plateaux alpins, où il n'est pas rentable de poser des lignes électriques, des centrales solaires de forte puissance sont également en cours de construction. L'expérience d'exploitation montre que le Sun est déjà en mesure de répondre aux besoins de tous les bâtiments résidentiels du pays. Les installations solaires, situées sur les toits et les murs des maisons, sur les clôtures antibruit des autoroutes, sur les transports et les structures industrielles, ne nécessitent pas de territoire agricole coûteux pour leur propre placement. Une installation solaire autonome près du village de Grimsel fournit de l'électricité pour l'éclairage 24 heures sur 24 d'un tunnel routier. Près de la ville de Shur, des panneaux solaires montés sur une section de 700 mètres d'un mur antibruit produisent 100 kW d'électricité par an.

Le concept moderne d'utilisation de l'énergie solaire s'exprime pleinement lors de la construction des bâtiments de l'usine de verre à vitres d'Arisdorf, où des panneaux solaires d'une capacité totale de 50 kW se sont vu attribuer un rôle supplémentaire d'éléments de plafond et de décoration de façade même lors de la conception. traiter. L'efficacité des convertisseurs solaires à fort chauffage est sensiblement réduite, par conséquent, des canalisations de ventilation sont posées sous les panneaux pour pomper l'air extérieur. Bleu foncé, scintillant au soleil, des photoconvertisseurs sur les façades sud et ouest du bâtiment administratif, donnant de l'électricité au réseau, font office de bardage décoratif.

Dans les pays en développement, des installations relativement petites sont utilisées pour alimenter des maisons individuelles, dans des villages reculés pour - équiper des centres culturels, où, grâce aux PMT, on peut utiliser des téléviseurs, etc. Dans ce cas, le coût de l'électricité n'est pas à la charge du avant, mais l'effet social. Les programmes de mise en œuvre du PMT dans ces pays sont activement soutenus par les organisations internationales, et la Banque mondiale participe à leur financement sur la base de l'« Initiative solaire » qu'elle propose. Par exemple, au Kenya, au cours des 5 dernières années, 20 000 maisons rurales ont été électrifiées à l'aide de PMT. Un vaste programme d'introduction du PMT est mis en œuvre en Inde, où en 1986 - 1992. 690 millions de roupies ont été dépensés pour l'installation d'un PMT dans les zones rurales.

Dans les pays industrialisés, l'introduction active du PMT s'explique par plusieurs facteurs. Premièrement, les PMT sont considérés comme des sources respectueuses de l'environnement qui peuvent réduire les effets nocifs sur l'environnement. Deuxièmement, l'utilisation de PMT dans les maisons privées augmente l'autonomie énergétique et protège le propriétaire en cas d'éventuelles interruptions de l'alimentation électrique centralisée.

3. CONVERSION PHOTOÉLECTRIQUE DE L'ÉNERGIE SOLAIRE

Une contribution importante à la compréhension du mécanisme d'action de l'effet photoélectrique dans les semi-conducteurs a été apportée par le fondateur de l'Institut physicotechnique (FTI) de l'Académie des sciences de Russie, l'académicien A.F. Ioffé. Il rêvait d'utiliser des cellules solaires semi-conductrices dans l'énergie solaire déjà dans les années trente, lorsque B.T. Kolomiets et Yu.P. Maslakovets a créé à l'Institut Physicotechnique des photocellules au sulfure de thallium avec une efficacité record pour l'époque = 1%.

L'utilisation pratique généralisée des batteries solaires à des fins énergétiques a commencé avec le lancement en 1958 de satellites terrestres artificiels - le "Sputnik" soviétique -3 et l'américain "Avangard" -1. Depuis lors, pendant plus de 35 ans, les batteries solaires à semi-conducteurs ont été la principale et presque la seule source d'alimentation électrique des engins spatiaux et des grandes stations orbitales du type Salyut et Mir. Un important carnet de commandes, accumulé par les scientifiques dans le domaine des batteries solaires à des fins spatiales, a également permis de lancer des travaux sur l'énergie photovoltaïque au sol.

La base des photocellules est une structure semi-conductrice avec une jonction p-n apparaissant à l'interface de deux semi-conducteurs avec des mécanismes de conduction différents. Notez que cette terminologie provient des mots anglais positif et négatif. Différents types de conductivité sont obtenus en changeant le type d'impuretés introduites dans le semi-conducteur. Ainsi, par exemple, les atomes du groupe III du tableau périodique de D.I. Mendeleev, introduit dans le réseau cristallin du silicium, donne à ce dernier trou une conductivité (positive) et des impuretés du groupe V - électroniques (négatives). Le contact des semi-conducteurs p ou n conduit à la formation d'un champ électrique de contact entre eux, qui joue un rôle extrêmement important dans le fonctionnement d'une cellule photoélectrique solaire. Expliquons la raison de l'apparition de la différence de potentiel de contact. Lorsque les semi-conducteurs de type p et n sont connectés dans un seul cristal, un flux de diffusion d'électrons du semi-conducteur de type n au semi-conducteur de type p apparaît et, inversement, un flux de trous du semi-conducteur p au n-semi-conducteur. À la suite de ce processus, la partie du semi-conducteur de type p adjacente à la jonction p-n sera chargée négativement et la partie du semi-conducteur de type n adjacente à la jonction p-n, au contraire, acquerra une charge positive. Ainsi, une double couche chargée se forme près de la jonction p-n, ce qui contrecarre le processus de diffusion des électrons et des trous. En effet, la diffusion tend à créer un flux d'électrons de la région n vers la région p, tandis que le champ de la couche chargée, au contraire, vise à renvoyer des électrons vers la région n. De même, le champ dans la jonction p-n contrecarre la diffusion des trous de la région p à n. À la suite de deux processus agissant dans des directions opposées (diffusion et mouvement des porteurs de courant dans un champ électrique), un état d'équilibre stationnaire est établi : une couche chargée apparaît à la frontière, ce qui empêche la pénétration des électrons d'un n-semi-conducteur , et des trous d'un semi-conducteur p. En d'autres termes, une barrière énergétique (potentielle) apparaît dans la région de la jonction p-n, pour surmonter quels électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p doivent dépenser une certaine énergie. Sans s'attarder sur la description des caractéristiques électriques de la jonction p-n, qui est largement utilisée dans les redresseurs, transistors et autres dispositifs à semi-conducteurs, nous considérerons le travail de la jonction p-n dans les photocellules.

Lorsque la lumière est absorbée dans un semi-conducteur, les paires électron-trou sont excitées. Dans un semi-conducteur homogène, la photoexcitation n'augmente que l'énergie des électrons et des trous, sans les diviser dans l'espace, c'est-à-dire que les électrons et les trous sont séparés dans "l'espace énergétique", mais restent proches les uns des autres dans l'espace géométrique. Pour la séparation des porteurs de courant et l'apparition d'une force photoélectromotrice (force photoélectromotrice), une force supplémentaire doit exister. La séparation la plus efficace des porteurs hors d'équilibre a lieu précisément dans la région de la jonction p-n. Générés à proximité de la jonction pn, les porteurs « minoritaires » (trous dans le semi-conducteur n et électrons dans le semi-conducteur p) diffusent vers la jonction pn, captés par le champ de la jonction pn et éjectés dans le semi-conducteur, dans lequel ils deviennent le porteurs principaux : les électrons seront localisés dans un semi-conducteur de type n, et les trous dans un semi-conducteur de type p. En conséquence, le semi-conducteur de type p est chargé positivement et le semi-conducteur de type n négatif. Entre les régions n et p de la cellule photoélectrique, une différence de potentiel apparaît - la photo-emf. La polarité de la photo-emf correspond au déplacement "vers l'avant" de la jonction pn, ce qui abaisse la hauteur de barrière et favorise l'injection de trous de la région p vers la région n et d'électrons de la région n vers la p -Région. En raison de l'action de ces deux mécanismes opposés - l'accumulation de porteurs de courant sous l'action de la lumière et leur sortie due à une diminution de la hauteur de la barrière de potentiel - à différentes intensités lumineuses, une valeur de photo-emf différente est établie . Dans ce cas, l'amplitude de la photo-emf dans une large plage d'éclairage augmente proportionnellement au logarithme de l'intensité lumineuse. A très haute intensité lumineuse, lorsque la barrière de potentiel s'avère pratiquement nulle, la valeur de la photo-emf atteint la "saturation" et devient égale à la hauteur de la barrière à la jonction pn non éclairée. Lorsqu'il est éclairé par le rayonnement solaire direct et concentré jusqu'à 100 à 1 000 fois, l'amplitude de la photo-emf est de 50 à 85 % de la différence de potentiel de contact de la jonction p-n.

Ainsi, le processus d'apparition de la photo-emf apparaissant aux contacts des régions p et n de la jonction p-n est considéré. Lorsque la jonction pn éclairée est court-circuitée, un courant circule dans le circuit électrique proportionnel à l'amplitude de l'intensité d'éclairage et au nombre de paires électron-trou générées par la lumière. Lorsqu'une charge utile, telle qu'une calculatrice à énergie solaire, est connectée à un circuit électrique, le courant dans le circuit diminue légèrement. Typiquement, la résistance électrique de la charge utile dans le circuit des cellules solaires est choisie de manière à obtenir la puissance électrique maximale délivrée à la charge.

Une cellule solaire est réalisée à base d'une plaque en matériau semi-conducteur, tel que le silicium. Des régions avec des types de conductivité p et n sont créées dans la plaque. Des méthodes pour créer ces régions sont, par exemple, la méthode de diffusion d'impuretés ou la méthode de croissance d'un semi-conducteur sur un autre. Puis sont réalisés les contacts électriques inférieur et supérieur, le contact inférieur étant plein, et le supérieur en forme de peigne (lames minces reliées par un bus collecteur de courant relativement large).

Le matériau principal pour la production de cellules solaires est le silicium. La technologie de production de silicium semi-conducteur et de cellules solaires qui en découle est basée sur des méthodes développées en microélectronique, la technologie industrielle la plus avancée. Le silicium, apparemment, est généralement l'un des matériaux les plus étudiés dans la nature, de plus, le deuxième le plus abondant après l'oxygène. Considérant que les premières cellules solaires ont été faites de silicium il y a une quarantaine d'années, il est naturel que ce matériau joue le premier violon dans les programmes d'énergie solaire photovoltaïque. Les photocellules en silicium monocristallin combinent les avantages de l'utilisation d'un matériau semi-conducteur relativement bon marché avec des paramètres élevés de dispositifs basés sur celui-ci.

Jusqu'à récemment, les cellules solaires à usage terrestre, ainsi que pour l'espace, étaient fabriquées à base de silicium monocristallin relativement coûteux. Diminution du coût du silicium initial, le développement de procédés performants pour la fabrication de plaquettes à partir de lingots et de technologies avancées pour la fabrication de cellules solaires ont permis de diviser par plusieurs le coût des cellules solaires au sol à base de celles-ci. . Les principaux axes de travail pour réduire encore le coût de l'électricité « solaire » sont : l'obtention d'éléments à base de silicium polycristallin bon marché, notamment en bande, ; développement d'éléments à couche mince bon marché à base de silicium amorphe et d'autres matériaux semi-conducteurs ; conversion du rayonnement solaire concentré à l'aide de cellules à base de silicium hautement efficaces et d'un matériau semi-conducteur relativement nouveau, aluminium-gallium-arsenic.

La lentille de Fresnel est une plaque de plexiglas de 1 à 3 mm d'épaisseur, dont un côté est plat et l'autre a un profil en forme d'anneaux concentriques, répétant le profil d'une lentille convexe. Les lentilles de Fresnel sont nettement moins chères que les lentilles convexes conventionnelles et fournissent un niveau de concentration de 2 à 3 000 "soleils".

Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans le monde dans le développement de cellules solaires au silicium fonctionnant sous irradiation solaire concentrée. Des cellules de silicium avec une efficacité > 25% ont été créées dans des conditions d'irradiation à la surface de la Terre avec une concentration de 20 à 50 "soleils". Cellules photoélectriques basées sur le matériau semi-conducteur aluminium-gallium-arsenic, créé pour la première fois à l'Institut physico-technique du nom de V.I. UN F. Ioffé en 1969. Dans de telles cellules solaires, des valeurs d'efficacité > 25 % sont atteintes à un niveau de concentration jusqu'à 1000 fois. Malgré le coût élevé de tels éléments, leur contribution au coût de l'électricité produite n'est pas décisive à des degrés de concentration élevés du rayonnement solaire en raison d'une réduction significative (jusqu'à 1000 fois) de leur surface. La situation dans laquelle le coût des cellules photovoltaïques n'apporte pas une contribution significative au coût total d'une centrale solaire, justifie la complication et l'augmentation du coût d'une cellule photoélectrique, si cela permet d'augmenter le rendement. Ceci explique l'attention portée actuellement au développement des cellules solaires en cascade, qui permettent d'augmenter considérablement le rendement. Dans une cellule solaire en cascade, le spectre solaire est divisé en deux (ou plus) parties, par exemple, visible et infrarouge, dont chacune est convertie à l'aide de cellules photoélectriques fabriquées à partir de matériaux différents. Dans ce cas, les pertes d'énergie des quanta de rayonnement solaire sont réduites. Par exemple, dans les étages à deux éléments, la valeur théorique du rendement dépasse 40 %.