태양광 발전 변환기. 태양 전지의 원리: 태양 전지판의 배열 및 작동 방식
태양 에너지- 어떤 형태로든 에너지를 얻기 위해 태양 복사의 직접적인 사용을 기반으로 하는 비전통적 에너지의 방향. 태양 에너지는 무진장한 에너지원을 사용하며 환경 친화적입니다. 즉, 유해한 폐기물을 생성하지 않습니다. 태양광 발전소의 에너지 생산은 분산 발전 개념과 잘 맞습니다.
태양광- 감광성 소자를 사용하여 태양 에너지를 전기로 변환하여 전기 에너지를 생성하는 방법.
태양 에너지- 재생 가능 에너지원의 실제 사용 방법 중 하나 - 태양 복사를 물의 열 또는 저비점 액체 열 운반체로 변환하는 데 사용되는 태양 에너지. 태양 에너지는 산업용 전기 생산과 가정용 온수 난방에 모두 사용됩니다.
태양전지- 구어체나 비과학적인 언론에서 사용되는 가계 용어. 일반적으로 "태양 전지" 또는 "태양 전지판"이라는 용어는 태양 에너지를 직접 전류로 변환하는 반도체 장치인 여러 결합된 광전지 변환기(태양광 전지)를 나타냅니다.
"광전지"라는 용어는 변환된 빛 에너지에서만 전류가 생성되는 포토다이오드의 정상 작동 모드를 의미합니다. 사실, 모든 광전지 장치는 다양한 광다이오드입니다.
광전지 변환기(FEP)
광전지 시스템에서 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것은 광전지 변환기(PV 변환기)에서 수행됩니다. 재료, 디자인 및 생산 방법에 따라 3세대 FEP를 구별하는 것이 일반적입니다.
결정질 실리콘 웨이퍼를 기반으로 한 1세대 PEC;
박막 기반의 2세대 PEC;
유기 및 무기 재료를 기반으로 한 3세대 FEP.
태양 에너지 변환 효율을 높이기 위해 캐스케이드 다층 구조를 기반으로 태양광 전지가 개발되고 있습니다.
1세대 FEP
수정판을 기반으로 한 1세대 PEC는 오늘날 가장 널리 사용됩니다. 지난 2년 동안 제조업체는 이러한 PVC의 생산 비용을 절감하여 세계 시장에서 입지를 강화했습니다.
1세대 FEP 유형:
단결정 실리콘(mc-Si),
다결정 실리콘(m-Si),
GaAs 기반,
리본 기술(EFG, S-web),
얇은 층 폴리실리콘(Apex).
2세대 FEP
2세대 PVC 박막 생산 기술은 진공 방식으로 층을 증착하는 것을 의미합니다. 진공 기술은 결정질 PVC 생산 기술과 비교하여 에너지 소비가 적고 자본 투자가 적은 것이 특징입니다. 넓은 면적의 유연한 저가 PVC를 생산할 수 있지만 이러한 요소의 변환 계수는 1세대 PVC에 비해 낮습니다.
2세대 FEP 유형:
비정질 실리콘(a-Si),
마이크로 및 나노실리콘(μc-Si/nc-Si),
유리에 실리콘(CSG),
카드뮴 텔루라이드(CdTe),
(di) 구리-(인듐-) 갈륨 셀레나이드(CI(G) S).
3세대 FEP
3세대 태양 전지를 만드는 아이디어는 태양 전지의 비용을 더욱 낮추고 값싸고 재활용 가능한 폴리머와 전해질을 위해 비싸고 유독한 물질의 사용을 포기하는 것이었습니다. 중요한 차이점은 인쇄 방법으로 레이어를 적용할 수 있다는 것입니다.
현재 3세대 태양광 전지 분야의 많은 프로젝트가 연구 단계에 있습니다.
3세대 FEP 유형:
염료 감광 (DSC),
유기농(OPV),
무기물(CTZSS).
설치 및 사용
FEP는 장착 치수, 전기 매개변수 및 신뢰성 표시기가 표준화된 모듈로 조립됩니다. 전기 설치 및 전송을 위해 태양광 모듈에는 전류 인버터, 배터리 및 기타 전기 및 기계 하위 시스템 요소가 장착되어 있습니다.
적용 영역에 따라 다음과 같은 유형의 태양열 시스템 설치가 구별됩니다.
집 지붕에 위치한 개인 소규모 발전소;
지붕과 지상에 위치한 중소 규모의 상업용 공장;
많은 소비자에게 전력을 제공하는 산업용 태양열 발전소.
실험실 조건에서 달성되는 광전지 및 모듈 효율의 최대값
광전지의 효율에 영향을 미치는 요인
태양광 패널의 성능 특성에서 가장 높은 효율을 얻으려면 부하 저항을 올바르게 선택해야 함을 알 수 있습니다. 이를 위해 태양광 패널을 부하에 직접 연결하지 않고 패널의 최적 작동을 보장하는 태양광 시스템 컨트롤러를 사용합니다.
생산
종종 단일 광전지는 충분한 전력을 생산하지 못합니다. 따라서 특정 수의 PV 셀이 소위 태양광 모듈로 결합되고 유리판 사이에 보강재가 장착됩니다. 이 빌드는 완전히 자동화될 수 있습니다.
장점
소스의 일반 가용성 및 무진장.
환경에 안전 - 태양 에너지의 광범위한 도입이 지구 표면의 알베도(반사(산란) 능력의 특성)를 변화시키고 기후 변화로 이어질 가능성이 있지만(그러나 현재 에너지 수준에서는 소비, 이것은 극히 드물다).
단점
날씨와 시간에 대한 의존성.
에너지 저장의 필요성.
산업 생산에서 - 유사한 전력의 기동 가능한 발전소로 태양광 발전소를 복제해야 할 필요성.
희귀 원소(예: 인듐 및 텔루르) 사용과 관련된 높은 건설 비용.
먼지로부터 반사 표면을 주기적으로 청소해야 합니다.
발전소의 대기를 가열합니다.
변환 효율은 불균일한 반도체 구조의 전기물리적 특성과 PVC의 광학적 특성에 따라 달라지는데, 그 중 광전도성이 가장 중요한 역할을 한다. 반도체에 햇빛을 쪼이면 내부 광전 효과가 생기는 현상이다.
PVC의 주요 비가역 에너지 손실은 다음과 관련이 있습니다.
변환기 표면의 태양 복사 반사,
흡수되지 않고 PVC를 통한 방사선의 일부 통과,
격자의 열 진동에 대한 과잉 광자 에너지의 산란,
PVC의 표면과 부피에서 형성된 광쌍의 재조합에 의해,
컨버터의 내부 저항 등
태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 방법은 태양 복사 양자의 영향으로 복사 수신기에서 전도 전자가 방출되는 광전 효과 현상을 기반으로 합니다.
이 효과는 복사 양자 에너지가 반도체 재료에 사용됩니다. 엥예를 들어 다음을 생성합니다. NS–N-전이 광전류
만약에=eN e,
어디 네- 접합부에서 전위차를 생성하는 전자의 수, 그 결과 누설 전류가 접합부에서 반대 방향으로 흐를 것입니다. NS일정한 광전류와 같습니다.
광전 변환 중 에너지 손실은 광자의 불완전한 활용뿐만 아니라 이미 발생한 전도 전자의 산란, 저항 및 재결합으로 인해 발생합니다.
가장 일반적인 상용 태양전지(solar cell)는 실리콘 웨이퍼 셀이다. 효율성을 개선하고 태양 전지의 비용을 줄이기 위해 개발 중인 다른 유형과 디자인도 있습니다.
태양 전지의 두께는 태양 복사를 흡수하는 능력에 달려 있습니다. 실리콘, 갈륨 비소 등과 같은 반도체 재료는 충분히 긴 파장의 태양 복사를 흡수하기 시작하고 상당 부분을 전기로 변환할 수 있기 때문에 사용됩니다. 다양한 반도체 재료에 의한 태양 복사의 흡수는 판의 두께가 100에서 1 미크론 이하일 때 가장 높은 값에 도달합니다.
태양 전지의 두께를 줄이면 재료 소비와 제조 비용을 크게 줄일 수 있습니다.
반도체 재료의 흡수 용량의 차이는 원자 구조의 차이로 설명됩니다.
태양 에너지를 전기로 변환하는 효율은 높지 않습니다. 부싯돌 요소의 경우 12 ... 14 % 이하입니다.
태양 전지의 효율을 높이기 위해 태양 전지 전면에 반사 방지 코팅을 사용합니다. 그 결과, 투과된 태양 복사의 비율이 증가합니다. 코팅되지 않은 요소는 최대 30%의 반사 손실이 있습니다.
최근에는 태양전지의 제조에 많은 신소재가 사용되고 있다. 그 중 하나는 결정질 실리콘과 달리 규칙적인 구조가 없는 비정질 실리콘입니다. 비정질 구조의 경우 광자 흡수 및 전도대로의 전이 확률이 더 높습니다. 따라서 흡수력이 뛰어납니다. 갈륨 비소(GaAs)도 사용됩니다. GaAs 기반 요소의 이론적 효율은 25%에 도달할 수 있으며 실제 요소는 약 16%의 효율을 갖습니다.
박막형 태양전지 기술이 개발되고 있습니다. 실험실 조건에서 이러한 요소의 효율이 16%를 초과하지 않는다는 사실에도 불구하고 비용이 저렴합니다. 이것은 대량 생산에서 비용과 재료 소비를 줄이는 데 특히 중요합니다. 미국과 일본에서 박막 요소는 0.1 ... 0.4 m 2 면적의 비정질 실리콘에 8 ... 9 %의 효율로 만들어집니다. 가장 일반적인 박막 태양 전지는 효율이 10%인 황화카드뮴(CdS) 전지입니다.
박막 태양 전지 기술의 또 다른 발전은 다층 전지의 생산이었습니다. 그들은 대부분의 태양 스펙트럼을 덮을 수 있습니다.
태양전지의 활물질은 상당히 고가이다. 보다 효율적인 사용을 위해 집광 시스템을 사용하여 태양 전지 표면에 태양 복사를 수집합니다(그림 2.7).
복사 플럭스가 증가함에 따라 능동 또는 수동 냉각을 사용하여 온도가 주변 대기 온도 수준으로 유지되면 요소의 특성이 저하되지 않습니다.
렌즈(일반적으로 평면 프레넬 렌즈), 거울, 내부 전반사 프리즘 등을 기반으로 하는 많은 집광 시스템이 있습니다. 태양 전지 또는 모듈의 조사가 매우 고르지 않으면 태양 전지가 파괴될 수 있습니다.
집광 시스템을 사용하면 집광 전지가 태양 전지보다 저렴하기 때문에 태양광 발전소의 비용을 줄일 수 있습니다.
태양 전지의 가격이 하락하면서 대규모 태양광 설비를 건설할 수 있게 되었습니다. 1984년까지 미국, 이탈리아, 일본, 사우디 아라비아 및 독일에 200kW~7MW 용량의 비교적 큰 태양광 발전소 14개가 건설되었습니다.
태양광 발전 설비에는 여러 가지 장점이 있습니다. 깨끗하고 고갈되지 않는 에너지원을 사용하고 움직이는 부품이 없으므로 유지 보수 직원의 지속적인 모니터링이 필요하지 않습니다. 태양 전지는 대량 시리즈로 생산할 수 있으므로 비용이 절감됩니다.
태양 전지판은 태양광 모듈로 조립됩니다. 동시에 동일한 에너지 변환 효율과 동일한 생산 기술을 사용하는 이러한 장치의 유형과 크기는 다양합니다.
태양 에너지의 공급은 주기적이기 때문에 태양 에너지와 천연 가스를 모두 사용하는 하이브리드 발전소에 태양광 시스템을 포함하는 것이 가장 합리적입니다. 이 스테이션에서는 차세대 가스 터빈을 사용할 수 있습니다. 태양광 패널과 디젤 발전기로 구성된 하이브리드 저전력 발전소는 이미 신뢰할 수 있는 에너지 공급업체입니다.
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수력발전
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태양 에너지는 수집기를 사용하여 열 에너지로 변환될 수 있습니다. 모든 태양열 집열기에는 표면 또는 체적 방열판이 있습니다. 컬렉터 또는 어큐뮬레이터에서 열을 제거할 수 있습니다.
태양 에너지를 전기 에너지로 열역학적 변환
태양 에너지를 전기 에너지로 열역학적으로 변환하는 방법은 열 기관의 주기를 기반으로 합니다. 태양 에너지는 태양광 발전소에서 전기로 변환됩니다(
러시아의 태양 에너지 개발 전망
1985년에 소련에서 최초로 전력 용량이 5MW인 타워형 SES-5 태양광 발전소가 크림 지역의 Shchelkino에서 가동되었습니다. 1600 헬리오스타트(플랫 그레인
풍력 에너지 사용의 특징
바람이 발생하는 주된 이유는 태양에 의해 지표면이 고르지 않게 가열되기 때문입니다. 풍력 에너지가 매우 높습니다. 세계기상기구의 추정에 따르면, 에너지 매장량은
풍력 터빈을 사용한 전력 생산
풍력 터빈을 사용하여 전기를 생성하는 것은 풍력 에너지를 변환하는 가장 효율적인 방법입니다. 풍력 터빈을 설계할 때 다음 기능을 고려해야 합니다.
러시아의 풍력 발전
러시아의 풍력 에너지 잠재력은 400억 kW로 추산됩니다. 연간 전기의 h, 즉 약 20,000MW. 연간 평균 풍속이 6m/s이고 용량이 1MW인 풍력 발전 단지는 1을 절약합니다.
지열에너지의 기원
지구의 핵심에서 온도는 4000 ° C에 이릅니다. 육지와 해저의 단단한 암석을 통한 열의 방출은 주로 열전도율로 인해 발생하며 드물게는 용융물의 대류 흐름 형태로 발생합니다.
지열회수기술
지열에너지의 원천은 다섯 가지로 분류할 수 있다. 1. 지열 건증기의 원천. 그들은 매우 드물지만 지열 발전소 건설에 가장 편리합니다. 2. 출처
전기
지열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것은 지열 발전소에서 열역학 사이클을 사용하는 기계 방식의 사용을 기반으로 수행됩니다. 지열발전소 건설을 위해 가장
난방 및 온수 공급을 위한 지열의 사용은 더욱 중요합니다. 열수의 품질과 온도에 따라 다양한 지열 계획이 있습니다.
지열에너지가 환경에 미치는 영향
지열 발전소의 주요 환경 영향은 현장 개발, 건물 및 증기 파이프라인 건설과 관련이 있습니다. GeoTPP에 필요한 양의 스팀 또는 온수를 제공하기 위해,
러시아의 지열 에너지
러시아에서는 47개의 지열 퇴적물이 열수 매장량으로 탐사되어 240 × 103 m3/day 이상을 얻을 수 있습니다. 열수 및 증기 수온이 생성합니다.
안면 홍조의 원인
조수는 달과 태양과 지구의 중력 상호 작용의 결과입니다. 지구 표면의 주어진 지점에서 달의 조석력은 인력의 국부적 값의 차이로 정의됩니다.
조력 발전소(TPS)
만조 때 최대 높이까지 끌어올린 물은 댐으로 바다와 분리될 수 있습니다. 결과는 조수 유역입니다. 통과하여 얻을 수 있는 최대 전력
환경에 대한 PES의 영향
환경에 대한 조력 발전소의 잠재적 영향은 댐의 바다 쪽 조수 진폭의 증가와 관련될 수 있습니다. 이는 토지의 침수 및
러시아의 조력 에너지
러시아에서는 북극과 태평양의 연안 지역에서 조력 에너지를 사용하는 것이 대규모 투자와 관련이 있습니다. 우리나라 최초의 Kislogubskaya TPP 발전소
파동 에너지
엄청난 양의 에너지는 파도에서 얻을 수 있습니다. 깊은 물에서 파도가 전달하는 힘은 진폭과 주기의 제곱에 비례합니다. 가장 흥미로운 것은 긴팔입니다.
해류의 에너지
World Ocean의 전체 수역은 표면과 깊은 해류에 의해 교차됩니다. 이러한 전류의 운동 에너지 축적량은 약 7.2 ∙ 1012 kW ∙ h/년입니다. 도움으로 이 에너지를
해양 열에너지 자원
바다는 태양 에너지의 자연적인 축전지입니다. 열대 바다에서 수 미터 두께의 상층 수온은 25 ... 30 ° C입니다. 수심 1000m에서 수온은
해양 화력 발전소
해양의 온도차 에너지를 변환하기 위해 여러 유형의 장치가 제안되었습니다. 가장 흥미로운 것은 열역학을 사용하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것입니다.
바이오매스 자원
"바이오매스"라는 용어는 다음을 통해 에너지 또는 기술적으로 편리한 연료를 얻는 데 사용할 수 있는 식물 또는 동물 기원의 유기물을 의미합니다.
바이오매스의 열화학적 전환(연소, 열분해, 가스화)
목재 폐기물의 주요 활용 방향 중 하나는 열과 전기 에너지를 얻기 위해 사용하는 것입니다. 목재 폐기물에서 에너지를 얻는 주요 기술은 다음과 같습니다.
생명공학적 바이오매스 전환
생명공학적 전환은 수분 함량이 75% 이상인 다양한 유기성 폐기물을 사용합니다. 바이오매스의 생물학적 전환은 두 가지 주요 방향으로 진행됩니다. 1) 농장
바이오 에너지의 생태 문제
바이오 에너지 플랜트는 모든 종류의 폐기물로 환경 오염을 줄이는 데 도움이 됩니다. 혐기성 발효는 동물 배설물을 사용하는 효과적인 수단일 뿐만 아니라
생활폐기물(MSW)의 특성
매년 수십만 톤의 가정 쓰레기가 도시 쓰레기통에 축적됩니다. 현대 도시의 주민 1인당 연간 고형 폐기물의 특정 생산량은 250 ... 700 kg입니다. 선진국에서 이 값은 e
매립지에서 고형 폐기물 재활용
현재, 도시의 고형 폐기물은 일반적으로 후속 광물화를 예상하여 매립을 위해 매립됩니다. 고형 폐기물은 매장 전에 압착하는 것이 바람직합니다. 낮추는 것 뿐만 아니라
고형 폐기물 퇴비화
고형폐기물 활용의 두 번째 방향은 유기질 비료(퇴비)로 가공하는 것이다. 가정 쓰레기 총량의 60%까지 퇴비화할 수 있습니다. 퇴비화 과정이 순환됩니다.
특수 소각로에서 고형 폐기물 소각
경제적으로 선진국에서는 점점 더 많은 고형 폐기물이 산업적으로 처리됩니다. 이 중 가장 효과적인 것은 열입니다. 쓰레기를 거의 10배까지 줄일 수 있습니다.
광전지 변환기의 유형
태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 가장 에너지 효율적인 장치(직접적인 1단계 에너지 전달이기 때문에)는 반도체 광전지 변환기(PEC)입니다. PVC의 특성인 300-350Kelvin 및 태양의 T ~ 6000K 정도의 평형 온도에서 제한 이론 효율은 > 90%입니다. 이는 비가역적 에너지 손실을 줄이기 위한 변환기의 구조와 매개변수를 최적화한 결과 실제 효율을 50% 이상으로 높일 수 있음을 의미합니다(실험실에서는 이미 40%의 효율이 달성).
태양 에너지의 광전 변환 분야의 이론적 연구와 실제 개발은 이러한 고효율 값을 PV로 실현할 가능성을 확인하고 이 목표를 달성하기 위한 주요 방법을 확인했습니다.
PVC의 에너지 변환은 태양 복사에 노출될 때 불균일한 반도체 구조에서 발생하는 광기전 효과를 기반으로 합니다. PVC 구조의 불균일성은 동일한 반도체에 서로 다른 불순물을 도핑하거나(p-n 접합 생성), 서로 다른 반도체를 에너지 갭-에너지가 동일하지 않은 원자에서 전자 분리(이종 접합 생성)로 결합하거나 밴드 갭의 기울기의 출현으로 이어지는 화학 성분 반도체(구배된 갭 구조의 생성). 상기 방법의 다양한 조합도 가능하다. 변환 효율은 불균일한 반도체 구조의 전기물리적 특성과 PVC의 광학적 특성에 의존하는데, 그 중 광전도성이 가장 중요한 역할을 하는 것은 반도체에 조사될 때 반도체 내부의 광전 효과 현상으로 인해 발생하기 때문입니다. 햇빛. PVC의 작동 원리는 현대 태양광 및 우주 에너지에 널리 사용되는 p-n-접합이 있는 변환기의 예를 통해 설명할 수 있습니다. 전자-정공 접합은 특정 유형의 전도성(즉, p형 또는 n형)을 갖는 단결정 반도체 재료의 플레이트에 불순물을 도핑하여 생성되며, 이는 반대 유형의 표면층 생성을 보장합니다. 전도도.
이 층의 도펀트 농도는 거기에 존재하는 주요 자유 전하 캐리어를 중화하고 반대 부호의 전도도를 생성하기 위해 기본(원래 단결정) 재료의 불순물 농도보다 훨씬 높아야 합니다. 전하 흐름의 결과로 n층과 p층의 경계에 보상되지 않은 n층의 양전하와 p층의 음의 체적 전하가 있는 공핍 영역이 형성됩니다. 함께 이러한 영역은 pn 접합을 형성합니다. 전이에서 발생하는 전위 장벽(접촉 전위차)은 다수 전하 캐리어의 통과를 방지합니다. p-층 측면에서 전자가 있지만 소수 캐리어는 반대 방향으로 자유롭게 통과합니다. PVC에 햇빛을 조사하여 광기전력을 얻을 가능성을 결정하는 것은 pn 접합의 이러한 특성입니다. PVC의 두 층에서 빛에 의해 생성된 비평형 전하 캐리어(전자-정공 쌍)는 p-n-접합에서 분리됩니다. 소수 캐리어(즉, 전자)는 접합을 자유롭게 통과하는 반면 주요 캐리어(정공)는 지연됩니다. 따라서 태양 복사의 작용에 따라 비평형 소수 전하 캐리어, 광전자 및 광구멍의 전류가 pn 접합을 통해 양방향으로 흐르게 되는데, 이는 PVC 작동에 정확히 필요한 것입니다. 이제 외부 회로를 닫으면 부하에 대한 작업을 마친 n-층의 전자가 p-층으로 돌아가서 PVC 내부에서 반대 방향으로 움직이는 구멍과 재결합(결합)합니다. 외부 회로로 전자를 수집 및 제거하기 위해 PVC의 반도체 구조 표면에 접촉 시스템이 있습니다. 변환기의 전면 조명 표면에서 접점은 그리드 또는 빗 형태로 만들어지고 후면에서는 견고할 수 있습니다.
PVC의 주요 비가역 에너지 손실은 다음과 관련이 있습니다.
- 변환기 표면의 태양 복사 반사,
- 흡수되지 않고 PVC를 통한 방사선의 일부 통과,
- 격자의 열 진동에 대한 과잉 광자 에너지의 산란,
- PVC의 표면과 부피에 형성된 광전쌍의 재결합에 의해,
- 변환기의 내부 저항,
- 및 기타 물리적 프로세스.
FEP에서 모든 유형의 에너지 손실을 줄이기 위해 다양한 조치가 개발되고 성공적으로 적용되고 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 태양 복사에 대한 최적의 밴드갭을 갖는 반도체의 사용;
- 최적의 도핑 및 내장 전기장 생성을 통한 반도체 구조의 특성 개선;
- 동종에서 이종 및 차등 반도체 구조로의 전환;
- PVC의 설계 매개변수 최적화(p-n-접합의 깊이, 베이스 레이어의 두께, 접촉 그리드의 주파수 등);
- 반사 방지, 열 제어 및 우주 방사선으로부터 태양 전지 보호를 제공하는 다기능 광학 코팅의 사용;
- 주 흡수 대역의 가장자리를 넘어 태양 스펙트럼의 장파장 영역에서 투명한 PVC의 개발;
- 금지 구역의 너비를 위해 특별히 선택된 반도체에서 캐스케이드 PVC를 생성하여 이전 캐스케이드 등을 통과한 각 캐스케이드의 방사선을 변환할 수 있습니다.
또한 양면 감도(한 쪽의 기존 효율에 대해 최대 +80%까지), 발광 재방출 구조의 사용, 태양열의 예비 분해를 갖는 변환기를 생성함으로써 PVC의 효율이 크게 증가했습니다. 다층 필름 빔 스플리터(dichroic mirrors)를 사용하여 스펙트럼의 각 부분을 별도의 PVC 등으로 변환하여 두 개 이상의 스펙트럼 영역으로 스펙트럼을 분리합니다.
SES(태양광 발전소)의 에너지 변환 시스템에서는 원칙적으로 다양한 반도체 재료를 기반으로 현재 생성 및 개발 중인 다양한 구조의 모든 유형의 PV 셀을 사용할 수 있지만 모두가 다음 집합을 만족하는 것은 아닙니다. 이러한 시스템에 대한 요구 사항:
- 긴 (수십년!) 작업 자원으로 높은 신뢰성;
- 변형 시스템의 요소 제조에 충분한 양의 원자재 가용성 및 대량 생산 조직 가능성;
- 변환 시스템을 만들기 위한 투자 회수 기간 측면에서 수용 가능한 에너지 비용;
- 스테이션 전체의 방향 및 안정화를 포함하여 전력 변환 및 전송 시스템(공간)의 제어와 관련된 최소 에너지 및 질량 소비;
- 유지 보수 용이성.
예를 들어, 일부 유망한 재료는 제한된 천연 자원과 가공의 복잡성으로 인해 SES 생성에 필요한 양으로 얻기가 어렵습니다. 예를 들어 복잡한 구조를 생성하여 PVC의 에너지 및 작동 특성을 개선하는 특정 방법은 저렴한 비용으로 대량 생산을 조직하는 가능성과 호환되지 않습니다. 높은 생산성은 예를 들어 테이프 기술을 기반으로 한 FEP의 완전 자동화 생산 조직과 해당 프로필의 개발 된 전문 기업 네트워크의 생성, 즉 사실, 전체 산업은 규모 면에서 현대 무선 전자 산업에 상응합니다. 자동화 라인에서 태양전지를 제조하고 태양전지를 조립하면 배터리 모듈 비용을 2~2.5배 절감할 수 있다.
실리콘과 갈륨 비소(GaAs)는 현재 태양 에너지 SES를 변환하기 위한 태양광 시스템의 가장 가능성 있는 재료로 간주되며, 후자의 경우 AlGaAs-GaAs 구조의 이종 광전지 변환기(HFP)에 대해 이야기하고 있습니다.
갈륨(GaAs)과 비소 화합물을 기반으로 하는 PVC(광전지 변환기)는 밴드 갭이 반도체 태양 에너지 변환기 = 1, 4 eV의 최적 밴드 갭과 실질적으로 일치하기 때문에 실리콘 PVC보다 이론적 효율이 더 높은 것으로 알려져 있습니다. 실리콘의 경우 이 지수 = 1.1 eV입니다.
GaAs의 직접적인 광학 전이에 의해 결정되는 더 높은 수준의 태양 복사 흡수로 인해 이를 기반으로 하는 PVC의 고효율은 실리콘에 비해 훨씬 더 얇은 PVC 두께에서 얻을 수 있습니다. 원칙적으로, 최소 20% 정도의 효율을 얻기 위해서는 HFP 두께가 5-6 미크론이면 충분하지만, 실리콘 요소의 두께는 효율성의 현저한 감소 없이 50-100 미크론 이상일 수 없습니다. . 이러한 상황은 특히 GaAs를 기질로 사용하지 않고 합성 사파이어( Al2O3).
HFP는 또한 실리콘 PVC와 비교하여 SES 변환기에 대한 요구 사항의 관점에서 더 유리한 작동 특성을 가지고 있습니다. 따라서 특히 큰 밴드갭으로 인해 pn 접합에서 역포화 전류의 작은 초기값을 얻을 수 있는 가능성은 효율 및 최적 HPP 전력의 음의 온도 구배 값을 최소화하는 것을 가능하게 하며, 또한, 광속 밀도에 대한 후자의 선형 의존성 영역을 크게 확장하기 위해 ... 온도에 대한 HFP 효율의 실험적 의존성은 후자의 평형 온도를 150-180 ° C로 증가시켜도 효율과 최적 비전력이 크게 감소하지 않음을 나타냅니다. 동시에 실리콘 PVC의 경우 60-70 ° C 이상의 온도 상승이 거의 중요합니다. 효율성은 절반으로 떨어집니다.
고온에 대한 저항성으로 인해 갈륨 비소 태양 전지는 태양 복사 집중 장치를 적용할 수 있습니다. GaAs에서 HFP의 작동 온도는 180°C에 이르며, 이는 이미 열 엔진 및 증기 터빈의 작동 온도입니다. 따라서 갈륨 비소 HFP의 30% 고유 효율(150°C에서)에 광전지를 냉각하는 액체의 폐열을 사용하여 열 기관의 효율을 추가할 수 있습니다. 따라서 공간 난방을 위해 터빈 이후 냉각수에서 저온 열 추출의 세 번째 사이클을 사용하는 설치의 전체 효율은 50-60%보다 높을 수도 있습니다.
또한 GaAs 기반 HFP는 실리콘 PVC보다 훨씬 적은 정도로 GaAs의 높은 수준의 광 흡수와 작은 요구 값으로 인해 고에너지 양성자 및 전자 플럭스에 의해 파괴되기 쉽습니다. 소수 캐리어의 수명 및 확산 길이. 또한, 실험에 따르면 GaAs 기반 HFP의 방사선 결함의 상당 부분은 약 150-180°C의 온도에서 열처리(어닐링) 후에 사라집니다. GaAs HPP가 약 150 ° C의 온도에서 지속적으로 작동한다면 효율성의 복사 열화 정도는 스테이션의 전체 활성 작동 기간 동안 상대적으로 작을 것입니다 (특히 우주 태양 발전소의 경우, PVC의 작은 무게와 크기와 높은 효율이 중요) ...
일반적으로 GaAs 기반 HFP의 에너지, 질량 및 작동 특성은 실리콘 PVC의 특성보다 SES 및 SCES(공간) 요구 사항과 더 일치한다고 결론지을 수 있습니다. 그러나 실리콘은 생산에서 갈륨 비소보다 훨씬 더 쉽게 구할 수 있고 널리 사용되는 재료입니다. 실리콘은 본질적으로 널리 퍼져 있으며 PVC를 기반으로 한 원료 공급은 거의 무제한입니다. 실리콘 태양 전지 제조 기술은 잘 발달되어 있으며 지속적으로 개선되고 있습니다. 특히 실리콘 리본, 넓은 면적의 태양 전지 등을 얻을 수 있는 새로운 자동화 생산 방법을 도입할 때 실리콘 태양 전지 비용을 10~200배 줄일 수 있는 실질적인 전망이 있습니다.
실리콘 광전지의 가격은 70년대 와트당 70~100달러에서 2000년 와트당 3.5달러로 25년 동안 20~30배 하락했으며 계속해서 더 하락하고 있다. 서구에서는 가격이 3달러라는 이정표를 넘을 때 에너지 부문의 혁명이 예상된다. 일부 계산에 따르면 이것은 2002 년에 이미 발생할 수 있지만 현재 에너지 관세가있는 러시아의 경우 1 와트 SB $ 0.3-0.5의 가격, 즉 훨씬 낮은 가격으로이 순간이 올 것입니다. 종합하면 관세, 기후, 지리적 위도, 실제 가격 책정 및 장기 투자를 할 수 있는 주의 능력과 같은 역할을 합니다. 이종 접합이 있는 실제로 작동하는 구조에서 효율성은 오늘날 30% 이상에 도달하고 단결정 실리콘과 같은 균질 반도체에서는 최대 18%에 이릅니다. 오늘날 단결정 실리콘 기반 태양 전지의 평균 효율은 18%에 달하지만 약 12%입니다. 기본적으로 오늘날 전 세계 주택의 지붕에서 볼 수 있는 것은 실리콘 SB입니다.
실리콘과 달리 갈륨은 매우 희소한 물질로, GaAs를 기반으로 하는 HFP를 광범위하게 채택하는 데 필요한 양으로 생산할 수 있는 가능성을 제한합니다.
갈륨은 주로 보크사이트에서 채굴되지만 석탄회와 해수에서 얻을 가능성도 검토 중이다. 갈륨의 가장 큰 매장량은 해수에서 발견되지만 그 농도가 매우 낮고 회수율이 1%로 추정되므로 생산 비용이 엄청나게 높을 것입니다. 액체 및 기체 에피택시 방법(기판에서 한 단결정의 표면에 하나의 단결정의 방향성 성장)을 사용하여 GaAs 기반 HFP를 생산하는 기술은 아직 실리콘 생산 기술만큼 개발되지 않았습니다. PVC 및 그 결과 HFP의 비용은 이제 실리콘에서 PVC의 비용보다 훨씬 더 높습니다(주문 기준).
태양 전지가 전류의 주요 소스이고 명확한 질량, 크기 및 효율성의 비율이 매우 중요한 우주선에서 태양의 주요 재료입니다. 물론 배터리는 갈륨 비소입니다. 우주 SES에 매우 중요한 것은 PVC의 이 화합물이 3-5배 집중된 태양 복사열로 가열될 때 효율성을 잃지 않는 능력으로, 이에 따라 결핍된 갈륨의 필요성을 감소시킵니다. 갈륨을 절약하기 위한 추가 매장량은 HFP 기질로 GaAs 대신 합성 사파이어(Al2O3)를 사용하는 것과 관련이 있습니다.
향상된 기술을 기반으로 한 HFP의 대량 생산 비용도 크게 줄어들 것이며 일반적으로 GaAs에서 HFP 기반 SES의 전력 변환 시스템의 변환 시스템 비용은 비용과 상당히 비슷할 수 있습니다. 실리콘 기반 시스템. 따라서 현재로서는 두 가지 고려되는 반도체 재료(실리콘 또는 갈륨 비소) 중 하나를 완전히 선호하는 것은 어렵습니다. 생산 기술의 추가 개발을 통해서만 지상 및 우주 태양광에 어떤 옵션이 더 합리적인지를 보여줄 것입니다. 전력 엔지니어. SB가 직류를 제공하는 한 50Hz, 220V의 산업용 교류로 변환하는 작업이 발생합니다. 특별한 종류의 장치인 인버터는 이 작업에 완벽하게 대처합니다.
광전지 시스템의 계산.
태양 전지의 에너지는 다른 전원의 에너지와 같은 방식으로 사용할 수 있지만 태양 전지는 단락을 두려워하지 않는다는 차이점이 있습니다. 각각은 주어진 전압에서 특정 전류 강도를 유지하도록 설계되었습니다. 그러나 다른 전류원과 달리 태양 전지의 특성은 표면에 떨어지는 빛의 양에 따라 다릅니다. 예를 들어 다가오는 구름은 출력을 50% 이상 줄일 수 있습니다. 또한 기술 모드의 편차는 한 배치 요소의 출력 매개 변수의 분산을 수반합니다. 결과적으로, 광전지 변환기의 효율을 최대화하려는 욕구는 출력 전류에 따라 전지를 분류할 필요로 이어집니다. "전체 무리를 망치는 형편없는 양"의 실례로 우리는 다음을 인용할 수 있습니다. 훨씬 더 작은 직경의 파이프 부분을 큰 직경의 수도관 파열로 절단하면 결과적으로 물줄기가 급격히 감소합니다. 출력 매개변수 측면에서 균일하지 않은 일련의 태양 전지에서도 유사한 일이 발생합니다.
실리콘 태양전지는 비선형 소자로 옴의 법칙과 같은 간단한 공식으로 그 거동을 설명할 수 없습니다. 대신, 요소의 특성을 설명하기 위해 이해하기 쉬운 곡선 계열인 VAC(전류-전압 특성)를 사용할 수 있습니다.
한 셀에서 생성된 개방 회로 전압은 한 배치에서 셀마다 약간 다르며 제조업체마다 약 0.6V입니다. 이 값은 셀의 크기에 의존하지 않습니다. 상황은 현재와 다릅니다. 그것은 빛의 강도와 표면적을 의미하는 요소의 크기에 따라 다릅니다.
100 100 mm 크기의 요소는 10 10 mm 크기의 요소보다 100배 더 크므로 동일한 조명 아래에서 100배 더 큰 전류를 방출합니다.
요소를 로드하면 전압에 대한 출력 전력의 종속성을 플롯할 수 있으며 그림 2에 표시된 것과 유사한 결과를 얻을 수 있습니다.
첨두 전력은 약 0.47V의 전압에 해당한다. 따라서 태양전지의 품질을 정확하게 평가하기 위해서는 뿐만 아니라 동일한 조건에서 소자들을 서로 비교하기 위해서는 부하가 필요하다. 그래서 출력 전압은 0.47V입니다. 태양열 요소가 작업을 위해 선택된 후에는 납땜해야합니다. 직렬 요소에는 도체를 납땜하도록 설계된 컬렉터 그리드가 장착되어 있습니다.
배터리는 원하는 조합으로 조합할 수 있습니다. 가장 단순한 배터리는 직렬로 연결된 일련의 셀입니다. 문자열을 병렬로 연결하여 소위 직렬 병렬 연결을 형성할 수도 있습니다.
태양 전지의 작동에서 중요한 점은 온도 체계입니다. 요소가 25 ° C 이상으로 1도 가열되면 전압이 0.002V 손실됩니다. 0.4%/도. 그림 3은 25 ° С 및 60 ° С의 온도에 대한 I-V 특성 제품군을 보여줍니다.
밝고 화창한 날에 요소는 최대 60-70 ° C까지 가열되어 각각 0.07-0.09 V를 잃습니다. 이것이 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 주요 원인으로, 전지에서 발생하는 전압 강하로 이어진다. 기존 태양 전지의 효율은 현재 10-16%입니다. 이것은 표준 조건에서 100~100mm 크기의 셀이 1~1.6와트를 생성할 수 있음을 의미합니다.
모든 태양광 시스템은 독립형과 계통 연결의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 두 번째 유형의 스테이션은 잉여 에너지를 그리드에 제공하며 내부 에너지 부족 시 예비로 사용됩니다.
자율 시스템은 일반적으로 지지 구조물이나 지붕에 위치한 태양광 모듈 세트, 축전지(축전지), 방전 컨트롤러(배터리 충전) 및 연결 케이블로 구성됩니다. 태양광 모듈은 태양광 발전 시스템을 구축하기 위한 주요 구성 요소입니다. 모든 출력 전압으로 제조할 수 있습니다.
태양 전지를 선택한 후에는 납땜해야 합니다. 직렬 요소에는 도체를 납땜하기 위한 컬렉터 그리드가 장착되어 있습니다. 배터리는 어떤 조합으로든 결합할 수 있습니다.
가장 단순한 배터리는 직렬로 연결된 일련의 셀입니다.
이러한 문자열을 병렬로 연결하여 소위 직렬 병렬 연결을 형성할 수 있습니다. 병렬로 전압이 동일한 체인(자)만 연결할 수 있으며 전류는 Kirchhoff의 법칙에 따라 합산됩니다.
지상 사용의 경우 일반적으로 공칭 전압이 12V인 축전지(축전지)를 충전하는 데 사용됩니다. 이 경우 일반적으로 36개의 태양 전지가 직렬로 연결되고 유리, PCB, 알루미늄에 적층으로 밀봉됩니다. 이 경우 요소는 에어 갭 없이 밀봉 필름의 두 층 사이에 위치합니다. 진공 적층 기술은 이 요구 사항을 충족합니다. 보호 유리와 소자 사이에 에어 갭이 있는 경우 반사 및 흡수 손실은 에어 갭이 없는 12%에 비해 20-30%에 이릅니다.
태양 전지의 전기적 매개변수는 표준 테스트 조건, 즉 1000W/m2의 태양 복사, 온도 - 25°C 및 45°의 태양 스펙트럼에서 볼트-암페어 곡선의 형태로 별도의 태양 전지로 표시됩니다. 위도(AM1.5) ...
곡선과 전압 축의 교차점을 개방 회로 전압 - Uxx, 전류 축과의 교차점 - 단락 전류 Isc라고합니다.
모듈의 최대 전력은 STC(Standard Test Conditions)에서 가장 높은 전력으로 정의됩니다. 최대 전력에 해당하는 전압을 최대 전력 전압(동작 전압 - Up)이라 하고, 해당 전류를 최대 전력 전류(동작 전류 - Ip)라고 한다.
따라서 36셀 모듈의 작동 전압은 25°C에서 약 16 ... 17V(셀당 0.45 ... 0.47V)가 됩니다.
이러한 전압 마진은 배터리의 완전 충전 전압(14.4V)과 비교하여 배터리 충방전 컨트롤러의 손실을 보상하기 위해 필요하며(나중에 설명하겠습니다) 기본적으로 - 모듈이 복사에 의해 가열될 때 모듈의 작동 전압: 실리콘의 온도 계수는 약 -0.4%/도(1셀의 경우 0.002V/도)입니다.
모듈의 개방 회로 전압은 조명에 거의 의존하지 않는 반면 단락 전류 및 그에 따른 작동 전류는 조명에 정비례합니다.
따라서 실제 작동 조건에서 가열되면 모듈은 작동 전압 포인트의 오프셋에 해당하는 60-70 ° C의 온도로 가열됩니다. 예를 들어 작동 전압이 17V인 모듈의 경우 17에서 17 V ~ 13.7-14.4V(셀당 0.38-0.4V).
위의 모든 것을 기반으로 모듈의 직렬 연결 요소 수 계산에 접근해야 합니다.소비자가 교류 전압을 필요로 하는 경우 직류 전압에서 교류 전압으로의 인버터 변환기가 추가됩니다. 이 세트.
FES의 계산은 모듈의 정격 전력, 모듈 수, 연결 방식의 결정으로 이해됩니다. 배터리의 유형, 작동 조건 및 용량 선택; 인버터 및 충방전 컨트롤러의 용량; 연결 케이블의 매개변수 결정.
먼저 동시에 연결된 모든 소비자의 총 전력을 결정해야합니다. 각각의 전력은 와트로 측정되며 제품 여권에 표시됩니다. 이 단계에서 이미 계산된 것보다 1.25배 이상 높아야 하는 인버터의 전력을 선택할 수 있습니다. 시동시 압축기 냉장고와 같은 까다로운 장치는 여권보다 7 배 더 많은 전력을 소비한다는 점을 명심해야합니다.
인버터의 공칭 범위는 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000W입니다. 강력한 스테이션(1kW 이상)의 경우 스테이션 전압은 최소 48V로 선택됩니다. 더 높은 전력에서 인버터는 더 높은 입력 전압에서 더 잘 작동합니다.
다음 단계는 배터리 용량을 결정하는 것입니다. 배터리 용량은 계산된 것보다 큰 쪽이 반올림된 표준 용기 범위에서 선택됩니다. 그리고 계산된 용량은 단순히 소비자의 총 전력을 배터리 전압의 곱으로 배터리 방전 깊이 값(단위: 분수)으로 나누어 구합니다.
예를 들어 소비자의 총 전력이 하루 1000Wh이고 12V 배터리의 허용 방전 깊이가 50%인 경우 계산된 용량은 다음과 같습니다.
1000 / (12 x 0.5) = 167A * 시간
완전 자율 모드에서 배터리 용량을 계산할 때 배터리가 소비자의 작업을 보장해야 하는 흐린 날의 존재를 고려해야 합니다.
마지막 단계는 총 전력과 태양광 모듈의 수를 결정하는 것입니다. 계산에는 태양 복사가 최소인 스테이션 작동 기간 동안 취한 태양 복사 값이 필요합니다. 연중 사용의 경우 12월이 됩니다.
"기상"섹션에는 러시아의 주요 지역에 대한 월별 및 총 연간 태양 복사 값과 수광면의 다양한 방향에 따른 그라데이션이 제공됩니다.
거기에서 우리가 관심있는 기간 동안의 일사량 값을 취하여 1000으로 나누면 소위 pic-hours, 즉 태양이 빛나는 조건부 시간을 얻습니다. 1000W / m2의 강도.
예를 들어, 모스크바의 위도와 7월의 경우 사이트가 수평선에 대해 40o 각도로 남쪽을 향할 때 일사량 값은 167kWh/m2입니다. 이것은 평균 태양이 1000 W / m2의 강도로 7 월에 167 시간 (하루 5.5 시간) 동안 빛난다는 것을 의미하지만 광속에 수직으로 향하는 사이트의 정오 최대 조명은 700-750 W / m2.
선택한 기간 동안 전력 Pw가 있는 모듈은 다음과 같은 에너지 양을 생성합니다. W = k Pw E / 1000, 여기서 E는 선택한 기간의 일사량 값, k는 여름에 0.5, 겨울에 0.7에 해당하는 계수입니다.
이 요소는 태양에서 가열될 때 태양 전지의 전력 손실을 보정하고 낮 동안 모듈 표면의 비스듬한 광선 입사도 고려합니다.
겨울과 여름에 값의 차이는 겨울에 요소의 가열이 적기 때문입니다.
소비된 에너지의 총 전력과 위의 공식을 기반으로 모듈의 총 전력을 쉽게 계산할 수 있습니다. 그리고 그것을 알면 단순히 한 모듈의 용량으로 나누면 모듈 수를 알 수 있습니다.
태양광 발전소를 만들 때 가능한 한 소비자의 전력을 줄이는 것이 좋습니다. 예를 들어, 가능하면 형광등만 조명으로 사용하십시오. 소비량이 5배 적은 이러한 램프는 백열 램프의 광속과 동일한 광속을 제공합니다.
소규모 태양광 발전소의 경우 입사 광선에 대한 최적의 회전을 위해 모듈을 회전 브래킷에 설치하는 것이 좋습니다. 이것은 스테이션의 용량을 20-30% 증가시킬 것입니다.
인버터에 대해 조금.
직류를 교류로 변환하는 인버터 또는 변환기는 50Hz의 주파수와 220V의 전압을 갖는 교류 전원이 없거나 품질이 좋지 않은 다양한 비상 상황에서 다양한 장비 및 장치에 고품질 전원 공급을 제공하도록 설계되었습니다. , 등.
인버터는 12(24, 48, 60) V DC 펄스 변환기를 220V의 안정화된 전압과 50Hz의 주파수를 갖는 교류로 변환합니다. 대부분의 인버터는 출력에서 SINUSOID 전압이 안정화되어 거의 모든 장비 및 기기에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.
구조적으로 인버터는 탁상 장치 형태로 만들어집니다. 인버터 전면 패널에는 제품 동작 스위치와 인버터 동작 표시등이 있습니다. 제품 후면 패널에는 배터리, 인버터 케이스용 접지 단자, 팬(냉각)이 있는 구멍, 연결을 위한 3극 유로 소켓과 같은 DC 소스를 연결하기 위한 리드(단자)가 있습니다. 부하.
인버터 출력의 안정화된 전압을 사용하면 예를 들어 배터리가 방전되거나 부하가 소비하는 전류의 변동과 같은 입력 전압의 변화/변동으로 부하에 고품질 전원 공급을 제공할 수 있습니다. . 입력에서 DC 소스와 인버터 출력에서 부하가 있는 AC 회로의 보장된 갈바닉 절연을 통해 다양한 DC 소스 또는 전기 장비를 사용할 때 작동 안전을 보장하기 위해 추가 조치를 취하지 않아도 됩니다. 인버터 작동 중 전력 섹션의 강제 냉각 및 낮은 소음 수준을 통해 한편으로는 제품의 우수한 중량 및 치수를 보장할 수 있지만 다른 한편으로는 이러한 유형의 냉각으로 작동에 불편을 일으키지 않습니다. 소음의 형태로.
- 전자 디스플레이가 있는 내장형 제어판
- 정확한 조정이 가능한 커패시턴스 전위차계
- 표준화된 핀 대 핀 스트립: WE WY STEROW
- 내장 브레이크 회전
- 팬이 있는 라디에이터
- 미적 고정
- 전원 공급 장치 230V - 400V
- 과부하 150% - 60초
- 이륙 시간 0.01 ... 1000초
- 내장형 전기 필터, 클래스 A
- 작동 온도: -5 ° C - + 45 ° C
- RS 485 포트
- 주파수 단계 조절: 0.01Hz - 1kHz
- 보호 등급 IP 20
기능적으로 제공: 주파수 증가, 감소, 과부하 제어, 과열.
대부분의 재생 가능 에너지(수력 발전, 해양의 기계 및 열 에너지, 풍력 및 지열 에너지)는 잠재력이 제한적이거나 광범위하게 사용하는 데 상당한 어려움이 있는 것이 특징입니다. 대부분의 재생 가능 에너지원의 총 잠재력은 현재 수준에서 에너지 소비를 10배만 증가시킬 것입니다. 그러나 또 다른 에너지원인 태양이 있습니다. 황색 왜성인 분광 등급 2 별인 태양은 질량, 반지름, 온도 및 절대 등급과 같은 모든 주요 매개변수에서 매우 평균적인 별입니다. 그러나 이 별에는 한 가지 독특한 특징이 있습니다. 그것은 "우리의 별"이며 인류는 이 중간 별에 모든 존재를 빚지고 있습니다. 우리의 등기구는 지구에 약 10 17 W의 전력을 공급합니다. 이는 직경 12.7,000km의 "태양열"의 힘으로 태양을 향한 행성의 측면을 지속적으로 비추는 것입니다. 태양이 정점에 있을 때 남위도의 해수면에서 햇빛의 강도는 1kW/m2입니다. 태양 에너지를 변환하는 고효율 방법을 개발함으로써 태양은 수백 년 동안 급증하는 에너지 수요를 공급할 수 있습니다.
태양 에너지의 대규모 사용에 대한 반대자들의 주장은 주로 다음과 같은 주장으로 요약됩니다.
1. 태양 복사의 비출력은 작고 태양 에너지의 대규모 변환에는 매우 넓은 영역이 필요합니다.
2. 태양 에너지를 변환하는 것은 매우 비싸고 거의 비현실적인 재료 및 노동 비용이 필요합니다.
실제로, 변환 시스템으로 덮인 지구의 면적은 세계 에너지 예산에서 눈에 띄는 부분의 전기를 생산하기 위해 얼마나 클 것입니까? 분명히, 이 영역은 사용된 변환 시스템의 효율성에 달려 있습니다. 반도체 광전지를 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 태양광 변환기의 효율을 평가하기 위해 이 소자에 의해 생성된 전기 전력의 비율로 정의되는 광전지의 효율(효율) 개념을 소개합니다. 광전지 표면에 떨어지는 햇빛. 따라서 태양열 변환기의 효율이 10%(지상 기반 에너지의 필요성에 대한 일련의 산업 생산에서 널리 통용되는 실리콘 광전지의 효율의 일반적인 값)와 동일한 10 12 W의 전기를 생산하려면 한 변이 200km인 정사각형과 동일한 4 * 10 10 m 2 면적을 덮는 데 필요할 것입니다. 이 경우 태양 복사의 강도는 250W / m 2와 동일하게 취해지며 이는 남반구의 연중 일반적인 평균 값에 해당합니다. 즉, 태양 복사의 "저밀도"는 대규모 태양 에너지 개발에 장애가되지 않습니다.
위의 고려 사항은 매우 강력한 주장입니다. 내일 이 에너지를 사용하려면 태양 에너지를 변환하는 문제를 오늘 해결해야 합니다. 효율적인 원자로(태양)가 자연 자체에 의해 만들어지고 수백만 년 동안 안정적이고 안전한 작동의 자원을 제공할 때 제어된 열핵융합을 위한 에너지 문제를 해결하는 프레임워크 내에서 농담으로 이 문제를 고려할 수 있습니다. 임무는 지상 기반 변전소를 개발하는 것뿐입니다. 최근에 태양 에너지 분야에 대한 광범위한 연구가 세계적으로 수행되어 가까운 장래에 이러한 에너지 획득 방법이 경제적으로 정당화되고 널리 적용될 수 있음을 보여주었습니다.
러시아는 천연 자원이 풍부합니다. 우리는 석탄, 석유, 가스와 같은 화석 연료의 상당한 매장량을 보유하고 있습니다. 그러나 태양 에너지의 사용은 우리나라에서도 매우 중요합니다. 러시아 영토의 상당 부분이 고위도에 있다는 사실에도 불구하고 기후면에서 우리나라의 일부 매우 큰 남부 지역은 태양 에너지의 광범위한 사용에 매우 유리합니다.
높은 수준의 태양 에너지 공급을 특징으로하는 지구의 적도 벨트 국가 및이 벨트에 가까운 지역에서 태양 에너지 사용은 훨씬 더 큰 전망을 가지고 있습니다. 따라서 중앙 아시아의 여러 지역에서 직사광선의 지속 시간은 연간 3000시간에 이르고 수평면에 도달하는 태양 에너지의 연간 도달량은 1500-1850kW o hour/m2입니다.
현재 태양 에너지 변환 분야의 주요 작업 영역은 다음과 같습니다.
- 직접 열 가열(열 에너지 획득) 및 열역학적 변환(태양 에너지를 열 에너지로 중간 변환하여 전기 에너지 획득)
- 태양 에너지의 광전지 변환.
직접 열 난방은 태양 에너지를 변환하는 가장 간단한 방법이며 러시아 남부 지역과 적도 벨트 국가에서 태양열 난방 설비, 온수 공급, 건물 냉각, 담수화 등에 널리 사용됩니다. 태양열 사용 설치의 기본은 평평한 태양열 집열기 - 태양 복사 흡수 장치입니다. 흡수기와 접촉하는 물 또는 기타 액체는 가열되고 펌프 또는 자연 순환에 의해 흡수기로부터 배출됩니다. 그런 다음 가열된 액체가 저장소로 들어가 필요에 따라 소비됩니다. 이러한 장치는 가정용 온수 공급 시스템과 유사합니다.
전기는 사용과 전송에 가장 편리한 형태의 에너지입니다. 따라서 태양 에너지를 열로 중간 변환하고 이후에 전기로 변환하는 태양열 발전소의 개발 및 생성에 대한 연구자들의 관심은 이해할 수 있습니다.
세계에서 두 가지 유형의 태양열 발전소가 현재 가장 일반적입니다. 1) 하나의 태양열 수신기에 태양 에너지를 집중시키는 타워 유형, 많은 수의 평면 거울을 사용하여 수행 2) 열 수신기와 저전력 변환기가 배치되는 초점에 포물면 및 포물선 실린더의 분산 시스템.
2. 태양광 발전
70년대 후반에서 80년대 초반까지 전력 수준이 0.5~10MW인 이른바 타워형 태양광 발전소(SPP) 7개가 세계 여러 나라에 건설되었습니다. 10MW 용량의 가장 큰 태양광 발전소(Solar Оne)가 캘리포니아에 건설되었습니다. 이러한 모든 SES는 동일한 원칙에 따라 구축됩니다. 태양을 따라가는 헬리오스타트 미러의 지면 수준에 위치한 필드는 다소 높은 타워 위에 장착된 수신기-수신기에 태양 광선을 반사합니다. 수신기는 본질적으로 중간 크기의 증기를 생성한 다음 표준 증기 터빈으로 보내는 태양열 보일러입니다.
두 번째 프로젝트 - 타워형 태양광 발전소 PHOEBUS는 독일 컨소시엄에 의해 구현되고 있습니다. 이 프로젝트에는 대기 공기가 가열된 후 수증기가 생성되는 증기 보일러로 보내지는 체적 수신기가 있는 30MW 용량의 데모 하이브리드(태양 연료) 태양광 발전소의 생성이 포함됩니다. Rankine 주기에서 작동합니다. 수신기에서 보일러까지의 공기 경로에는 천연 가스를 연소시키는 버너가 있으며 하루 종일 지정된 전력을 유지하도록 그 양을 조절합니다. 계산에 따르면 예를 들어 연간 일사량이 6.5GJ/m2(우크라이나 남부 지역의 일반적인 것과 유사)인 경우 총 헬리오스타트 표면이 160,000m2인 이 SPP는 290.2GW를 받게 됩니다. * h/년의 태양에너지, 연료와 함께 도입되는 에너지의 양은 176.0 GW * h/년이 될 것이다. 동시에 SPP는 18.8%의 평균 연간 효율로 연간 87.9GW * h의 전기를 생산합니다. 이러한 지표를 통해 SES에서 생산되는 전력 비용은 화석 연료를 사용하는 TPP 수준에서 예상할 수 있습니다.
80년대 중반부터 남부 캘리포니아에서 LUZ 회사는 첫 번째 SPP에서 다음 SPP로 13.8MW에서 80MW로 증가된 단위 용량을 가진 포물선형 원통형 집중 장치(PCC)가 있는 9개의 SPP를 만들어 상업 가동에 투입했습니다. 이 SPP의 총 용량은 350MW에 도달했습니다. 이 SES에서는 첫 번째 SES에서 다음 SES로 전환하는 동안 조리개가 증가된 PCC를 사용했습니다. 단일 축에서 태양을 추적함으로써 집중 장치는 진공관에 둘러싸인 관형 수신기에 태양 복사의 초점을 맞춥니다. 고온의 액체 열 운반체가 리시버 내부로 흐르고 최대 380°C까지 가열된 다음 수증기의 열을 증기 발생기로 방출합니다. 이 SPP의 계획은 또한 증기 발생기에서 일정량의 천연 가스를 연소시켜 추가 피크 전기를 생성하고 감소된 일사량을 보상합니다.
이러한 SES는 SES가 손실 없이 운영되도록 허용하는 미국 법률이 있던 시기에 만들어지고 운영되었습니다. 80 년대 말에 이러한 법률이 만료되면서 LUZ 회사가 파산하고 이러한 유형의 새로운 SPP 건설이 중단되었습니다.
건설된 9개의 SPP 중 5개(3개에서 7개로)를 운영한 KJC 회사(Kramеr Junction Company)는 이러한 SPP의 효율성을 높이고 운영 비용을 절감하며 새로운 SPP에서 경제적으로 매력적으로 만드는 임무를 스스로 설정했습니다. 정황. 현재 이 프로그램은 성공적으로 구현되고 있습니다.
스위스는 태양 에너지 사용의 선두 주자가 되었습니다. 1997년 기준으로 1~1000kW 용량의 태양광 변환기 기반 태양광 발전소 약 2,600개가 이곳에 건설되었습니다. "Solar-91"이라는 프로그램은 "비휘발성 스위스를 위해"라는 슬로건 아래 수행되며 현재 에너지의 70% 이상을 수입하고 있는 국가의 환경 문제 해결과 에너지 자립에 크게 기여하고 있습니다. 2-3kW 용량의 태양광 발전소는 건물의 지붕과 정면에 가장 자주 장착됩니다. 이러한 설비는 연간 평균 2,000kWh의 전기를 생산하며 이는 평균 스위스 가정의 국내 수요에 충분합니다. 대기업은 최대 300kW 용량의 산업용 건물 지붕에 태양열 설비를 설치합니다. 이러한 역은 전기 기업의 요구를 50-60%까지 충당합니다.
송전선을 부설하는 것이 수익성이 없는 고산지대의 여건에 고출력 태양광 발전소도 건설되고 있다. 운영 경험에 따르면 Sun은 이미 미국 내 모든 주거용 건물의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 주택의 지붕과 벽, 고속도로의 소음 방지 울타리, 운송 및 산업 구조물에 위치한 태양열 설비는 자체 배치를 위해 값 비싼 농업 지역이 필요하지 않습니다. Grimsel 마을 근처에 설치된 자율 태양열 설비는 도로 터널의 24시간 조명을 위한 전기를 제공합니다. Shur 마을 근처에서 소음 차단벽의 700미터 섹션에 설치된 태양 전지판은 연간 100kW의 전기를 생성합니다.
태양 에너지를 사용하는 현대적인 개념은 Arisdorf의 창 유리 공장 건물을 건설하는 동안 가장 잘 표현되었습니다. 총 용량 50kW의 태양 전지 패널은 설계 중에도 천장 요소와 외관 장식의 추가 역할을 할당했습니다. 프로세스. 강한 난방을하는 태양열 변환기의 효율이 눈에 띄게 감소하므로 환기 파이프 라인이 외부 공기를 펌핑하기 위해 패널 아래에 놓입니다. 태양에 반짝이는 짙은 파란색, 관리 건물의 남쪽 및 서쪽 정면에 있는 광 변환기는 그리드에 전기를 공급하여 장식용 클래딩 역할을 합니다.
개발 도상국에서는 PMT 덕분에 TV 등을 사용할 수있는 문화 센터를 갖춘 외딴 마을에서 개별 주택에 전기를 공급하는 데 비교적 작은 설치가 사용됩니다. 이 경우 전기 비용이 발생하지 않습니다. 그러나 사회적 효과. 이들 국가의 PMT 실행 프로그램은 국제 기구의 적극적인 지원을 받으며 세계 은행은 세계 은행이 제시한 "태양광 이니셔티브"를 기반으로 자금 조달에 참여합니다. 예를 들어, 케냐에서는 지난 5년 동안 20,000개의 농촌 주택에 PMT를 사용하여 전기를 공급했습니다. PMT 도입을 위한 대규모 프로그램이 1986-1992년에 인도에서 시행되고 있습니다. 농촌 지역에 PMT를 설치하는 데 6억 9천만 루피가 사용되었습니다.
선진국에서 PMT의 적극적인 도입은 몇 가지 요인으로 설명됩니다. 첫째, PMT는 환경에 대한 유해한 영향을 줄일 수 있는 환경 친화적인 소스로 간주됩니다. 둘째, 개인 주택에서 PMT를 사용하면 에너지 자율성이 향상되고 중앙 집중식 전원 공급이 중단될 경우 소유자를 보호할 수 있습니다.
3. 태양 에너지의 광전 변환
반도체에서 광전 효과의 작용 메커니즘을 이해하는 데 중요한 공헌은 러시아 과학 아카데미의 물리 기술 연구소(PTI) 설립자인 Academician A.F. 아이오페. 그는 B.T. 콜로미에츠와 Yu.P. Maslakovets는 Physicotechnical Institute에서 당시 기록적인 효율성 1%로 탈륨 황화물 광전지를 만들었습니다.
에너지 목적을 위한 태양 전지의 광범위한 실제 사용은 1958년 인공 지구 위성인 소련의 "스푸트니크" -3와 미국의 "아방가르드" -1의 발사와 함께 시작되었습니다. 그 이후로 35년 이상 동안 반도체 태양 전지는 Salyut 및 Mir 유형의 우주선 및 대형 궤도 스테이션의 주요 전원 공급 장치이자 거의 유일한 전원 공급 장치였습니다. 우주 목적으로 태양 전지 분야의 과학자들이 축적한 대규모 백로그도 지상 기반 태양광 에너지에 대한 작업을 시작하는 것을 가능하게 했습니다.
광전지의 기본은 전도 메커니즘이 다른 두 반도체의 계면에서 p-n 접합이 발생하는 반도체 구조입니다. 이 용어는 영어 단어 positive와 negative에서 유래했습니다. 반도체에 유입되는 불순물의 종류를 바꾸어 다양한 형태의 도전성을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, D.I. 주기율표의 III 족 원자. 실리콘의 결정 격자에 도입된 Mendeleev는 후자의 구멍(양의) 전도도와 V족 불순물(전자(음))을 제공합니다. p형 또는 n형 반도체의 접촉은 이들 사이에 접촉 전계를 형성하게 하며, 이는 태양광 광전지의 작동에 매우 중요한 역할을 합니다. 접촉전위차가 발생하는 이유를 설명하겠습니다. p형 반도체와 n형 반도체가 하나의 단결정으로 연결되면 n형 반도체에서 p형 반도체로 전자의 확산 플럭스가 발생하고, 반대로 p형에서 n형 반도체로 정공의 흐름이 발생합니다. 이 과정의 결과, p-n 접합에 인접한 p형 반도체 부분은 음전하를 띠게 되고, 반대로 pn 접합에 인접한 n형 반도체 부분은 양전하를 얻게 됩니다. 따라서 이중 하전층이 p-n 접합 근처에 형성되어 전자와 정공의 확산 과정을 방해합니다. 실제로, 확산은 n-영역에서 p-영역으로 전자의 흐름을 생성하는 경향이 있는 반면, 대전된 층의 필드는 반대로 전자를 n-영역으로 되돌리는 것을 목표로 합니다. 유사하게, p-n 접합의 필드는 p-n-영역에서 정공의 확산을 상쇄합니다. 반대 방향(전기장에서 전류 캐리어의 확산 및 이동)으로 작용하는 두 가지 프로세스의 결과로 정지된 평형 상태가 설정됩니다. 즉, n-반도체에서 전자가 침투하는 것을 방지하는 하전층이 계면에 나타납니다. , 및 p-반도체의 구멍. 즉, p-n 접합 영역에 에너지(전위) 장벽이 발생하여 n-반도체의 전자와 p-반도체의 정공이 어느 정도의 에너지를 소비해야 하는지를 극복합니다. 정류기, 트랜지스터 및 기타 반도체 장치에 널리 사용되는 pn 접합의 전기적 특성에 대한 설명을 생략하고 광전지에서 pn 접합의 작업을 고려할 것입니다.
빛이 반도체에 흡수되면 전자-정공 쌍이 여기됩니다. 균질 반도체에서 광여기는 공간에서 분할하지 않고 전자와 정공의 에너지만을 증가시킵니다. 즉, 전자와 정공은 "에너지 공간"에서 분리되지만 기하학적 공간에서는 서로 가깝게 유지됩니다. 전류 캐리어의 분리와 광기전력(photoelectromotive force)의 출현을 위해서는 추가적인 힘이 존재해야 한다. 비평형 캐리어의 가장 효과적인 분리는 pn 접합 영역에서 정확하게 발생합니다. pn 접합 근처에서 생성된 "소수" 캐리어(n-반도체의 정공 및 p-반도체의 전자)는 pn 접합으로 확산되고 pn 접합의 필드에 의해 픽업되어 반도체로 방출됩니다. 주요 캐리어가 됩니다. 전자는 n형 반도체에, 정공은 p형 반도체에 국한됩니다. 그 결과 p형 반도체는 양전하를, n형 반도체는 음전하를 띤다. 광전지의 n 영역과 p 영역 사이에 전위차가 발생합니다. 즉, 광기전력이 발생합니다. 광기전력의 극성은 pn 접합의 "정방향" 변위에 해당하며, 이는 장벽 높이를 낮추고 p 영역에서 n 영역으로 정공 주입을 촉진하고 n 영역에서 p 영역으로 전자 주입을 촉진합니다. -지역. 이 두 가지 반대 메커니즘의 작용 결과 - 빛의 작용에 따른 전류 캐리어의 축적 및 전위 장벽의 높이 감소로 인한 유출 - 다른 광 강도에서 다른 광기전력 값이 설정됩니다 . 이 경우 광도의 대수에 비례하여 넓은 조명 범위에서 광기전력의 크기가 증가합니다. 매우 높은 광도에서 전위 장벽이 실질적으로 0인 것으로 판명되면 광기전력 값은 "포화"에 도달하고 조명이 없는 pn 접합에서의 장벽 높이와 같아집니다. 태양 복사에 의해 최대 100~1000배 집중될 뿐만 아니라 직접 조명될 때 광기전력의 크기는 pn 접합의 접촉 전위차의 50~85%입니다.
따라서, pn 접합의 p 및 n 영역의 접촉에서 발생하는 광기전력의 출현 과정을 고려합니다. 조명된 pn 접합이 단락되면 조명 강도의 크기와 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍의 수에 비례하여 전기 회로에 전류가 흐릅니다. 태양열 계산기와 같은 페이로드가 전기 회로에 연결되면 회로의 전류가 약간 감소합니다. 일반적으로 태양 전지 회로에서 페이로드의 전기 저항은 부하에 전달되는 최대 전력을 얻도록 선택됩니다.
태양 전지는 실리콘과 같은 반도체 재료로 만들어진 판을 기반으로 만들어집니다. p형 및 n형 전도도가 있는 영역이 플레이트에 생성됩니다. 이러한 영역을 생성하는 방법은 예를 들어 불순물의 확산 방법 또는 하나의 반도체를 다른 반도체로 성장시키는 방법입니다. 그런 다음 아래쪽 및 위쪽 전기 접점이 만들어지며 아래쪽 접점은 솔리드이고 위쪽 접점은 빗살 구조(상대적으로 넓은 집전 버스로 연결된 얇은 스트립) 형태입니다.
태양전지를 만드는 주재료는 실리콘이다. 반도체 실리콘 및 이를 기반으로 하는 태양전지를 생산하는 기술은 가장 앞선 산업기술인 마이크로일렉트로닉스에서 개발된 공법을 기반으로 합니다. 분명히 규소는 일반적으로 자연에서 가장 많이 연구된 물질 중 하나이며, 또한 산소 다음으로 가장 풍부합니다. 약 40년 전에 최초의 태양전지가 실리콘으로 만들어졌다는 점을 고려할 때 이 소재가 태양광 발전 프로그램에서 최초의 바이올린 역할을 하는 것은 당연하다. 단결정 실리콘 광전지는 상대적으로 저렴한 반도체 재료를 사용하는 장점과 이를 기반으로 하는 장치의 높은 매개변수를 결합합니다.
최근까지 우주용뿐만 아니라 지상용 태양전지는 상대적으로 고가의 단결정 실리콘을 기반으로 만들어졌다. 초기 실리콘 비용 절감, 잉곳에서 웨이퍼를 제조하는 고성능 방법의 개발 및 태양 전지 제조를 위한 첨단 기술 개발로 이를 기반으로 하는 지상 기반 태양 전지 비용을 몇 배나 절감할 수 있게 되었습니다. . "태양열" 전기 비용을 추가로 줄이기 위한 주요 작업 영역은 다음과 같습니다. 스트립, 다결정 실리콘을 포함하여 저렴한 기반으로 요소를 얻는 것; 비정질 실리콘 및 기타 반도체 재료를 기반으로 한 저렴한 박막 소자 개발; 고효율 실리콘 기반 전지와 비교적 새로운 반도체 재료인 알루미늄-갈륨-비소를 사용하여 집중된 태양 복사열을 변환합니다.
프레넬 렌즈는 1-3mm 두께의 플렉시 유리 판으로, 한면은 평평하고 다른 한면은 볼록 렌즈의 프로파일을 반복하는 동심 링 형태의 프로파일을 가지고 있습니다. 프레넬 렌즈는 기존의 볼록 렌즈보다 훨씬 저렴하며 2 - 3,000 "태양"의 농도 수준을 제공합니다.
최근 몇 년 동안 집중 태양열 조사 하에서 작동하는 실리콘 태양 전지의 개발에서 전 세계적으로 상당한 진전이 이루어졌습니다. 효율> 25%의 실리콘 전지는 20-50 "태양" 농도의 지구 표면 조사 조건에서 생성되었습니다. 반도체 재료인 알루미늄-갈륨-비소를 기반으로 한 태양 전지 A.F. 1969년의 아이오페. 이러한 태양 전지에서 효율 값> 25%는 최대 1000배의 농도 수준에서 달성됩니다. 이러한 요소의 높은 비용에도 불구하고 생성된 전기 비용에 대한 기여는 해당 영역의 상당한(최대 1000배) 감소로 인해 높은 수준의 태양 복사 집중도에서 결정적이지 않습니다. 태양광 전지의 비용이 태양광 발전소의 총 비용에 크게 기여하지 않는 상황은 효율성 증가를 제공한다면 광전지의 비용을 복잡하게 하고 증가시키는 것이 정당화됩니다. 이것은 현재 효율성을 크게 높일 수 있는 캐스케이드 태양 전지 개발에 관심이 집중되고 있음을 설명합니다. 캐스케이드 태양 전지에서 태양 스펙트럼은 가시광선 및 적외선과 같은 두 부분(또는 그 이상)으로 분할되며, 각 부분은 서로 다른 재료를 기반으로 만들어진 광전지를 사용하여 변환됩니다. 이 경우 태양 복사량의 에너지 손실이 감소합니다. 예를 들어, 2요소 단계에서 효율성의 이론적 값은 40%를 초과합니다.
