Saules fotoelektriskie pārveidotāji. Saules baterijas princips: kā saules panelis ir sakārtots un darbojas
Saules enerģija- netradicionālās enerģijas virziens, kura pamatā ir tieša saules starojuma izmantošana, lai iegūtu enerģiju jebkurā formā. Saules enerģija izmanto neizsmeļamu enerģijas avotu un ir videi draudzīga, tas ir, nerada kaitīgus atkritumus. Enerģijas ražošana no saules elektrostacijām labi atbilst sadalītās elektroenerģijas ražošanas koncepcijai.
Fotoelektrija- metode elektroenerģijas ražošanai, izmantojot gaismjutīgus elementus, lai saules enerģiju pārvērstu elektrībā.
Saules enerģija- viena no atjaunojamās enerģijas avota praktiskās izmantošanas metodēm - saules enerģija, ko izmanto, lai saules starojumu pārvērstu ūdens siltumā vai šķidrā siltumnesējā ar zemu viršanas temperatūru. Saules enerģiju izmanto gan elektroenerģijas rūpnieciskai ražošanai, gan ūdens sildīšanai sadzīves vajadzībām.
Saules baterija- sadzīves apzīmējums, ko lieto sarunvalodā vai nezinātniskā presē. Parasti termins "saules baterija" vai "saules panelis" attiecas uz vairākiem kombinētiem fotoelementu pārveidotājiem (fotoelementu elementiem) - pusvadītāju ierīcēm, kas tieši pārveido saules enerģiju līdzstrāvā.
Termins "fotoelektriskais" nozīmē fotodiodes parasto darbības režīmu, kurā elektriskā strāva rodas tikai no pārveidotās gaismas enerģijas. Faktiski visas fotoelektriskās ierīces ir fotodiodes šķirnes.
Fotoelektriskie pārveidotāji (FEP)
Fotoelektriskajās sistēmās saules enerģijas pārvēršana elektroenerģijā tiek veikta ar fotoelementu pārveidotājiem (PV pārveidotājiem). Atkarībā no materiāla, dizaina un ražošanas metodes ir ierasts atšķirt trīs FEP paaudzes:
Pirmās paaudzes PVC, pamatojoties uz kristāliskām silīcija plāksnēm;
Otrās paaudzes PEC, pamatojoties uz plānām plēvēm;
Trešās paaudzes FEP pamatā ir organiski un neorganiski materiāli.
Lai palielinātu saules enerģijas pārveidošanas efektivitāti, PV šūnas tiek veidotas, pamatojoties uz kaskādes daudzslāņu konstrukcijām.
Pirmās paaudzes FEP
Mūsdienās visplašāk tiek izmantoti pirmās paaudzes PEC, kuru pamatā ir kristāla plāksnes. Pēdējo divu gadu laikā ražotājiem ir izdevies samazināt šādu PVC ražošanas izmaksas, kas ir nostiprinājis savas pozīcijas pasaules tirgū.
Pirmās paaudzes FEP veidi:
monokristāliskais silīcijs (mc-Si),
polikristāliskais silīcijs (m-Si),
pamatojoties uz GaAs,
lentes tehnoloģijas (EFG, S-web),
plānslāņa polisilīcijs (Apex).
Otrās paaudzes FEP
Otrās paaudzes plānslāņa PVC ražošanas tehnoloģija nozīmē slāņu nogulsnēšanos ar vakuuma metodi. Vakuuma tehnoloģija, salīdzinot ar kristālisko PVC ražošanas tehnoloģiju, patērē mazāk enerģijas, un to raksturo arī mazāks kapitālieguldījumu apjoms. Tas ļauj ražot elastīgus, lētus PVC ar lielu platību, taču šādu elementu konversijas koeficients ir zemāks salīdzinājumā ar pirmās paaudzes PV šūnām.
Otrās paaudzes FEP veidi:
amorfs silīcijs (a-Si),
mikro- un nanosilīcijs (μc-Si / nc-Si),
silīcijs uz stikla (CSG),
kadmija telurīds (CdTe),
(di) vara- (indija-) gallija selenīds (CI (G) S).
Trešās paaudzes FEP
Trešās paaudzes saules baterijas izveides ideja bija vēl vairāk samazināt saules baterijas izmaksas, atteikties no dārgu un toksisku materiālu izmantošanas par labu lētiem un pārstrādājamiem polimēriem un elektrolītiem. Būtiska atšķirība ir arī iespēja slāņus uzklāt ar drukas metodēm.
Pašlaik lielākā daļa projektu trešās paaudzes PV šūnu jomā ir izpētes stadijā.
Trešās paaudzes FEP veidi:
fotosensibilizēts krāsviela (DSC),
organisks (OPV),
neorganisks (CTZSS).
Uzstādīšana un lietošana
FEP ir samontēti moduļos, kuriem ir standartizēti montāžas izmēri, elektriskie parametri un uzticamības indikatori. Elektrības uzstādīšanai un pārvadei saules moduļi ir aprīkoti ar strāvas pārveidotājiem, baterijām un citiem elektriskās un mehāniskās apakšsistēmas elementiem.
Atkarībā no pielietojuma jomas izšķir šādus saules sistēmas uzstādīšanas veidus:
privātās mazās spēkstacijas, kas atrodas uz māju jumtiem;
mazas un vidējas komerciālas iekārtas, kas atrodas gan uz jumtiem, gan uz zemes;
rūpnieciskās saules elektrostacijas, kas piegādā elektroenerģiju daudziem patērētājiem.
Fotoelementu un moduļu efektivitātes maksimālās vērtības, kas iegūtas laboratorijas apstākļos
Faktori, kas ietekmē fotoelementu efektivitāti
No fotoelektriskā paneļa darbības raksturlielumiem redzams, ka, lai sasniegtu visaugstāko efektivitāti, nepieciešama pareiza slodzes pretestības izvēle. Lai to izdarītu, fotoelektriskie paneļi nav tieši savienoti ar slodzi, bet, lai nodrošinātu paneļu optimālu darbību, izmantojiet fotoelementu sistēmas kontrolieri.
Ražošana
Ļoti bieži atsevišķi fotoelementi neražo pietiekami daudz enerģijas. Tāpēc noteikts skaits PV elementu tiek apvienoti tā sauktajos fotoelementu saules moduļos, un starp stikla plāksnēm ir uzstādīts stiegrojums. Šo konstrukciju var pilnībā automatizēt.
Priekšrocības
Avota vispārējā pieejamība un neizsmeļamība.
Drošs videi - lai gan pastāv iespēja, ka plaša saules enerģijas ieviešana varētu mainīt zemes virsmas albedo (atstarojošās (izkliedes) spējas raksturlielums) un izraisīt klimata pārmaiņas (tomēr ar pašreizējo enerģijas līmeni) patēriņš, tas ir ārkārtīgi maz ticams).
trūkumi
Atkarība no laika apstākļiem un diennakts laika.
Nepieciešamība pēc enerģijas uzkrāšanas.
Rūpnieciskajā ražošanā - nepieciešamība dublēt saules elektrostacijas ar manevrējamām spēkstacijām ar līdzīgu jaudu.
Augstās celtniecības izmaksas, kas saistītas ar retu elementu (piemēram, indija un telūra) izmantošanu.
Nepieciešamība periodiski notīrīt atstarojošo virsmu no putekļiem.
Atmosfēras sildīšana virs elektrostacijas.
Pārveidošanas efektivitāte ir atkarīga no neviendabīgās pusvadītāju struktūras elektrofizikālajām īpašībām, kā arī no PVC optiskajām īpašībām, starp kurām vissvarīgākā loma ir fotovadāmībai. To izraisa pusvadītāju iekšējā fotoelektriskā efekta parādības, kad tās tiek apstarotas ar saules gaismu.
Galvenie neatgriezeniskie enerģijas zudumi PVC ir saistīti ar:
saules starojuma atstarošana no devēja virsmas,
starojuma daļas pāreja caur PVC bez absorbcijas tajā,
liekās fotonu enerģijas izkliedēšana uz režģa termiskajām vibrācijām,
rekombinējot izveidotos fotopārus uz PVC virsmām un tilpuma,
pārveidotāja iekšējā pretestība utt.
Fotoelektriskā metode saules enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā balstās uz fotoelektriskā efekta parādību - vadīšanas elektronu izdalīšanos starojuma uztvērējā saules starojuma kvantu ietekmē.
Šo efektu izmanto pusvadītāju materiālos, kuros starojuma kvantu enerģija hn izveido, piemēram, uz lpp–n-pārejas foto strāva
Es f=eN e,
kur N e- elektronu skaits, kas krustojumā rada potenciālu starpību, kā rezultātā krustojumā plūst noplūdes strāva pretējā virzienā Es vienāds ar foto strāvu, kas ir nemainīga.
Enerģijas zudumi fotoelektriskās pārveidošanas laikā ir saistīti ar nepilnīgu fotonu izmantošanu, kā arī jau radušos vadīšanas elektronu izkliedi, pretestību un rekombināciju.
Visizplatītākā komerciālā saules baterija (saules baterija) ir silīcija vafeļu šūna. Ir arī citi veidi un dizains, kas tiek izstrādāti, lai uzlabotu saules bateriju efektivitāti un samazinātu to izmaksas.
Saules elementa biezums ir atkarīgs no tā spējas absorbēt saules starojumu. Tiek izmantoti pusvadītāju materiāli, piemēram, silīcijs, gallija arsenīds utt., Jo tie sāk absorbēt saules starojumu ar pietiekami garu viļņu garumu un var pārvērst ievērojamu tā daļu elektrībā. Saules starojuma absorbcija dažādos pusvadītāju materiālos sasniedz augstāko vērtību, ja plākšņu biezums ir no 100 līdz 1 mikronam vai mazāk.
Samazinot saules baterijas biezumu, var ievērojami samazināt materiālu patēriņu un to izgatavošanas izmaksas.
Pusvadītāju materiālu absorbcijas spējas atšķirības izskaidro ar to atomu struktūras atšķirībām.
Saules enerģijas pārvēršanas elektrībā efektivitāte nav augsta. Krasta elementiem ne vairāk kā 12 ... 14%.
Lai palielinātu saules bateriju efektivitāti, saules elementa priekšpusē tiek izmantoti pretatstarošanās pārklājumi. Tā rezultātā palielinās pārraidītā saules starojuma īpatsvars. Nepārklātajiem elementiem ir atgriešanās zudums līdz 30%.
Pēdējā laikā saules bateriju ražošanai ir izmantoti vairāki jauni materiāli. Viens no tiem ir amorfs silīcijs, kuram atšķirībā no kristāliskā silīcija nav regulāras struktūras. Amorfai struktūrai fotonu absorbcijas un pārejas uz vadīšanas joslu varbūtība ir lielāka. Līdz ar to tai ir lieliska absorbcija. Tiek izmantots arī gallija arsenīds (GaAs). GaAs bāzes elementu teorētiskā efektivitāte var sasniegt 25%, reālo elementu efektivitāte ir aptuveni 16%.
Tiek izstrādāta plānās plēves saules bateriju tehnoloģija. Neskatoties uz to, ka šo elementu efektivitāte laboratorijas apstākļos nepārsniedz 16%, tiem ir zemākas izmaksas. Tas ir īpaši vērtīgi, lai samazinātu izmaksas un materiālu patēriņu masveida ražošanā. ASV un Japānā plānslāņa elementus izgatavo uz amorfā silīcija ar platību 0,1 ... 0,4 m 2 ar efektivitāti 8 ... 9%. Visbiežāk plānslāņa saules baterija ir kadmija sulfīda (CdS) šūnas ar efektivitāti 10%.
Vēl viens sasniegums plānās plēves saules bateriju tehnoloģijā ir daudzslāņu elementu ražošana. Tie ļauj aptvert lielāko daļu saules spektra.
Saules baterijas aktīvais materiāls ir diezgan dārgs. Lai efektīvāk izmantotu, saules starojums tiek savākts uz saules baterijas virsmas, izmantojot koncentrēšanas sistēmas (2.7. Att.).
Palielinoties starojuma plūsmai, elementa īpašības nepasliktinās, ja tā temperatūra tiek uzturēta tādā pašā temperatūrā kā apkārtējā gaisā, izmantojot aktīvo vai pasīvo dzesēšanu.
Ir liels skaits koncentrēšanas sistēmu, kuru pamatā ir lēcas (parasti plakanas Fresneļa lēcas), spoguļi, kopējās iekšējās atstarošanas prizmas utt. Ja saules bateriju vai moduļu apstarošana notiek ļoti nevienmērīgi, tas var izraisīt saules elementa iznīcināšanu.
Koncentrēšanas sistēmu izmantošana var samazināt saules elektrostaciju izmaksas, jo koncentrējošās šūnas ir lētākas nekā saules baterijas.
Samazinoties saules bateriju cenai, kļuva iespējams būvēt lielas fotoelementu iekārtas. Līdz 1984. gadam ASV, Itālijā, Japānā, Saūda Arābijā un Vācijā tika uzbūvētas 14 salīdzinoši lielas saules elektrostacijas ar jaudu no 200 kW līdz 7 MW.
Saules fotoelektriskajai iekārtai ir vairākas priekšrocības. Tas izmanto tīru un neizsmeļamu enerģijas avotu, tam nav kustīgu daļu, un tāpēc tam nav nepieciešama pastāvīga tehniskās apkopes personāla uzraudzība. Saules baterijas var ražot masveida sērijās, kā rezultātā samazināsies to izmaksas.
Saules paneļi tiek montēti no saules moduļiem. Tajā pašā laikā ir liela šo ierīču veidu un izmēru izvēle ar tādu pašu enerģijas pārveidošanas efektivitāti un to pašu ražošanas tehnoloģiju.
Tā kā saules enerģijas piegāde ir periodiska, visracionālāk ir iekļaut fotoelektriskās sistēmas hibrīda elektrostacijās, kurās tiek izmantota gan saules enerģija, gan dabasgāze. Šajās stacijās var izmantot jaunas paaudzes gāzes turbīnas. Hibrīdas mazjaudas elektrostacijas, kas sastāv no fotoelektriskiem paneļiem un dīzeļģeneratoriem, jau ir uzticami enerģijas piegādātāji.
Darba beigas -
Šī tēma pieder sadaļai:
Rūpnieciskās siltumtehnikas katedra .. lekciju piezīmes nivie gribanov a un i kursam .. teksts tika izdrukāts ..
Ja jums ir nepieciešams papildu materiāls par šo tēmu vai neatradāt meklēto, iesakām izmantot meklēšanu mūsu darbu datu bāzē:
Ko mēs darīsim ar saņemto materiālu:
Ja šis materiāls jums izrādījās noderīgs, varat to saglabāt savā lapā sociālajos tīklos:
| Čivināt |
Visas tēmas šajā sadaļā:
Planētas energoresursi
Enerģijas resursi ir materiāli objekti, kuros enerģija ir koncentrēta. Enerģiju nosacīti var iedalīt veidos: ķīmiskā, mehāniskā, termiskā, elektriskā utt. Uz galvenajiem energoresursiem no
Energoresursu izmantošanas iespējas
Termoelektroniskā enerģija Kodolenerģija ir hēlija saplūšanas enerģija no deitērija. Deitērijs ir ūdeņraža atoms, kura kodols sastāv no viena protona un viena neitro
Krievijas energoresursi
Krievijai ir milzīgas energoresursu un jo īpaši ogļu rezerves. Teorētiskais potenciāls ir degvielas rezerves, kuras īpaši neietekmē. Tehniskais potenciāls
Enerģijas ražošana termoelektrostacijās
Tāpat kā lielākajā daļā pasaules valstu, lielākā daļa elektroenerģijas Krievijā tiek ražota termoelektrostacijās, kurās tiek sadedzināts fosilais kurināmais. TPP kā degvielu izmanto cieto, šķidro un gāzveida degvielu.
Mainīga enerģijas patēriņa diagramma
Elektroenerģijas patēriņš dienas laikā nav vienāds. Sastrēgumstundās tas strauji palielinās, bet naktī ievērojami samazinās. Līdz ar to energosistēmai jābūt bāzes jaudai, kas darbojas p
Jaudas pārvades problēmas
Elektriskās enerģijas pārraide lielos attālumos ir saistīta ar zudumiem elektrolīnijās. Elektriskā enerģija tiek zaudēta, vienāda ar strāvas stipruma reizinājumu ar el. stieples pretestība. Vadu pārraidīts mo
Gāzes turbīnas un kombinētā cikla iekārtas (GTU un CCGT)
Pašlaik gāzes turbīnu un kombinētā cikla iekārtas ir visdaudzsološākās no visām siltumenerģijas un elektroenerģijas ražošanas iekārtām. Šo instalāciju izmantošana daudzās pasaules valstīs
Magnētiski hidrodinamiskās iekārtas (MGDU)
Daudzsološa ir arī elektrostaciju izmantošana, pamatojoties uz magnetohidrodinamisko ģeneratoru. MGDU cikls ir tāds pats kā GTU, t.i., darba šķidruma, izobāras bāzes adiabātiska saspiešana un izplešanās
Degvielas šūnas
Pašlaik kurināmā elementi tiek izmantoti elektroenerģijas ražošanai elektroenerģijas ražošanai. Šie elementi ķīmisko reakciju enerģiju pārvērš elektriskā enerģijā. Khimice
Siltumsūkņi
HP attiecas uz ierīcēm, kas darbojas apgrieztā termodinamiskā ciklā, un ir paredzētas siltuma pārnešanai no zemas kvalitātes enerģijas avota uz augstas kvalitātes. Otrais likums
Maza apjoma elektroenerģijas ražošanas vieta Krievijas enerģētikas nozarē
Netradicionālie enerģijas avoti ietver mazas hidroelektrostacijas, dīzeļdegvielas spēkstacijas, gāzes virzuļu spēkstacijas un mazas atomelektrostacijas. Uzticamas barošanas, apkures garants
Gāzes turbīna un kombinētā cikla mazās spēkstacijas
Mazjaudas gāzes turbīnu spēkstacijas ir kompaktas iekārtas, kas ražotas pēc bloku konteineru principa. GTPP sastāvdaļas ļauj ražot ne tikai elektrību, bet arī
Mini koģenerācija
Pašlaik pieaug interese par siltumenerģijas un elektroenerģijas ražošanu no mazām iekārtām, izmantojot mazas iekārtas ar jaudu no dažiem desmitiem kW līdz dažiem
Dīzeļdegvielas spēkstacijas
Dažos grūti sasniedzamos Krievijas reģionos, kur ir nerentabli būvēt elektrolīnijas, elektroenerģijas piegādei šo reģionu iedzīvotājiem tiek izmantotas benzīna un dīzeļdegvielas spēkstacijas. Tālo ziemeļu reģionos to skaits
Gāzes virzošās spēkstacijas
Jo dīzeļdegvielas cenas nepārtraukti pieaug, dīzeļdegvielas spēkstaciju izmantošana dīzeļdegvielā kļūst dārga, tāpēc šobrīd pasaulē ir liela interese
Mazas hibrīda elektrostacijas
Lai uzlabotu elektroapgādes sistēmu uzticamību un efektivitāti, ir jāizveido daudzfunkcionāli enerģijas kompleksi (IEC). Arī kompleksus var izveidot, pamatojoties uz maziem elektriskiem hibrīdiem
Mazās atomelektrostacijas
Pēdējā laikā ir bijusi liela interese par mazjaudas AES. Tās ir bloka tipa stacijas, tās ļauj apvienot aprīkojumu un darbojas autonomi. Šādas stacijas var būt uzticamas
Neliela hidroenerģija
Ķīna ir līdere mazo hidroelektrostaciju attīstībā. Mazo hidroelektrostaciju (HES) jauda Ķīnā pārsniedz 20 tūkstošus MW. Indijā HES uzstādītā jauda pārsniedz 200 MW. Plaša SHPP izmantošana
Galvenie neatjaunojamie energoresursi agrāk vai vēlāk tiks izsmelti. Tagad aptuveni 80% no pasaules enerģijas patēriņa tiek iegūti no fosilā kurināmā. Ar šo izmantošanu tas ir organiskāks
Hidroenerģija
Hidroelektrostacija izmanto ūdens plūsmas enerģiju kā enerģijas avotu. Hidroelektrostacijas tiek būvētas uz upēm, būvējot aizsprostus un rezervuārus. Efektīvai enerģijas ražošanai hidroelektrostacijās nepieciešami divi galvenie faktori
Saules enerģija
Saules enerģija ir gaismas elementu deitērija, tritija un hēlija kodolu saplūšanas reakcijas rezultāts, kam pievienots milzīgs enerģijas daudzums. Visas enerģijas avots, izņemot t
Saules enerģijas pārvēršana siltumenerģijā
Saules enerģiju var pārvērst siltumenerģijā, izmantojot kolektoru. Visiem saules kolektoriem ir virsma vai tilpuma siltuma izlietne. Siltumu var noņemt no kolektora vai akumulatora
Saules enerģijas termodinamiskā pārvēršana elektroenerģijā
Saules enerģijas termodinamiskās pārvēršanas elektroenerģijā metodes ir balstītas uz siltuma dzinēju cikliem. Saules enerģija tiek pārveidota elektrībā saules elektrostacijās (
Saules enerģijas attīstības perspektīvas Krievijā
1985. gadā Krimas reģiona Ščelkino apmetnē ekspluatācijā tika nodota pirmā PSRS saules elektrostacija ar SES-5 tipa torni ar elektrisko jaudu 5 MW. 1600 heliostati (plakani graudi
Vēja enerģijas izmantošanas iezīmes
Galvenais vēja rašanās iemesls ir nevienmērīga saules virsmas sasilšana. Vēja enerģija ir ļoti augsta. Saskaņā ar Pasaules meteoroloģijas organizācijas aplēsēm enerģijas rezerves ir
Elektroenerģijas ražošana, izmantojot vēja turbīnas
Vēja turbīnu izmantošana elektroenerģijas ražošanai ir visefektīvākais veids, kā pārveidot vēja enerģiju. Izstrādājot vēja turbīnas, jāņem vērā šādas to īpašības
Vēja enerģija Krievijā
Tiek lēsts, ka Krievijas vēja enerģijas potenciāls ir 40 miljardi kW. h elektroenerģijas gadā, tas ir, aptuveni 20 000 MW. Vēja parks ar jaudu 1 MW ar vidējo gada vēja ātrumu 6 m / s ietaupa 1
Ģeotermālās enerģijas izcelsme
Zemes kodolā temperatūra sasniedz 4000 ° C. Siltuma izdalīšanās caur sauszemes un okeāna dibena cietajiem iežiem notiek galvenokārt siltumvadītspējas dēļ un retāk izkausēta konvekcijas plūsmas veidā
Ģeotermālās siltuma reģenerācijas tehnika
Ģeotermālās enerģijas avotus var iedalīt piecos veidos. 1. Ģeotermālā sausā tvaika avoti. Tie ir diezgan reti, bet visērtākie ģeotermālo elektrostaciju celtniecībai. 2. Avoti
Elektrība
Ģeotermālās enerģijas pārveidošana elektroenerģijā tiek veikta, izmantojot mašīnas metodi, izmantojot ģeodermālās elektrostacijas termodinamisko ciklu. Ģeotermālās elektrostacijas celtniecībai visvairāk
Būtiskāk ir izmantot ģeotermālo siltumu apkurei un karstā ūdens apgādei. Atkarībā no termālā ūdens kvalitātes un temperatūras pastāv dažādas ģeotermālās shēmas.
Ģeotermālās enerģijas ietekme uz vidi
Ģeotermālās elektrostacijas galvenā ietekme uz vidi ir saistīta ar lauka attīstību, ēku un tvaika cauruļvadu būvniecību. Lai nodrošinātu GeoTPP nepieciešamo tvaika vai karstā ūdens daudzumu,
Ģeotermālā enerģija Krievijā
Krievijā ir izpētītas 47 ģeotermālās atradnes ar termālo ūdeņu rezervēm, kas ļauj iegūt vairāk nekā 240 × 103 m3 dienā. termālie ūdeņi un tvaika hidrotermijas
Karstuma viļņu cēloņi
Plūdmaiņas ir Zemes gravitācijas mijiedarbības ar Mēnesi un Sauli rezultāts. Mēness plūdmaiņas spēks noteiktā zemes virsmas punktā tiek definēts kā pievilkšanas spēka vietējās vērtības starpība
Plūdmaiņu spēkstacijas (TPS)
Ūdens, kas plūdmaiņas laikā pacelts līdz maksimālajam augstumam, var tikt atdalīts no jūras ar aizsprostu. Rezultāts ir plūdmaiņu baseins. Maksimālā jauda, ko var iegūt, ieejot iekšā
PES ietekme uz vidi
Plūdmaiņu spēkstaciju iespējamā ietekme uz vidi var būt saistīta ar plūdmaiņu amplitūdas palielināšanos dambja okeāna pusē. Tas var novest pie zemes applūšanas un
Plūdmaiņu enerģija Krievijā
Krievijā plūdmaiņu enerģijas izmantošana Arktikas un Klusā okeāna jūru piekrastes zonās ir saistīta ar lielām investīcijām. Pirmā Kislogubskaya TES spēkstacija mūsu valstī
Viļņu enerģija
Milzīgu enerģijas daudzumu var iegūt no jūras viļņiem. Jauda, ko viļņi nes dziļā ūdenī, ir proporcionāla to amplitūdas un perioda kvadrātam. Visinteresantākie ir ar garām piedurknēm
Okeāna straumju enerģija
Visu pasaules okeāna ūdens teritoriju šķērso virszemes un dziļas straumes. Šo strāvu kinētiskās enerģijas krājumi ir aptuveni 7,2 ∙ 1012 kW ∙ h / gadā. Šī enerģija ar palīdzību
Okeāna siltumenerģijas resursi
Okeāni ir dabisks saules enerģijas akumulators. Tropu jūrās vairāku metru biezā ūdens augšējā slāņa temperatūra ir 25 ... 30 ° C. 1000 m dziļumā ūdens temperatūra ir
Okeāna termoelektrostacijas
Tiek piedāvāti vairāki ierīču veidi, lai pārveidotu okeāna temperatūras atšķirību enerģiju. Vislielākā interese ir siltumenerģijas pārvēršana elektroenerģijā, izmantojot termodinamiku
Biomasas resursi
Termins "biomasa" nozīmē augu vai dzīvnieku izcelsmes organiskas vielas, kuras var izmantot, lai iegūtu enerģiju vai tehniski ērtu degvielu,
Biomasas termoķīmiskā pārveidošana (sadedzināšana, pirolīze, gazifikācija)
Viens no galvenajiem koksnes atkritumu izmantošanas virzieniem ir to izmantošana siltuma un elektroenerģijas iegūšanai. Galvenās tehnoloģijas enerģijas iegūšanai no koksnes atkritumiem ir
Biotehnoloģiskā biomasas pārveidošana
Biotehnoloģiskā pārveidošana izmanto dažādus organiskos atkritumus, kuru mitruma saturs ir vismaz 75%. Biomasas bioloģiskā pārveidošana attīstās divos galvenajos virzienos: 1) saimniecība
Bioenerģijas ekoloģiskās problēmas
Bioenerģijas ražotnes palīdz samazināt vides piesārņojumu ar visa veida atkritumiem. Anaerobā fermentācija ir ne tikai efektīvs dzīvnieku atkritumu izmantošanas veids
Cieto sadzīves atkritumu (MSW) raksturojums
Katru gadu pilsētas izgāztuvēs uzkrājas simtiem tūkstošu tonnu sadzīves atkritumu. Cieto atkritumu īpatnējais gada izlaidums uz vienu mūsdienu pilsētas iedzīvotāju ir 250 ... 700 kg. Attīstītajās valstīs šī vērtība ir e
Cieto atkritumu pārstrāde poligonos
Pašlaik cietos sadzīves atkritumus parasti nogādā apglabāšanai poligonos, gaidot to turpmāku mineralizāciju. Vēlams, lai cietie atkritumi tiktu presēti pirms apbedīšanas. Tas nav tikai pazemināšana
Cieto atkritumu kompostēšana
Otrs cieto atkritumu izmantošanas virziens ir pārstrāde organiskajā mēslojumā (komposts). Kompostēt var līdz 60% no kopējās sadzīves atkritumu masas. Kompostēšanas process tiek pagriezts
Cieto atkritumu sadedzināšana īpašās sadedzināšanas iekārtās
Ekonomiski attīstītajās valstīs arvien vairāk cieto atkritumu tiek pārstrādāti rūpnieciski. Visefektīvākais no tiem ir termiskais. Tas ļauj samazināt atkritumus gandrīz 10 reizes
Fotoelektrisko pārveidotāju veidi
Energoefektīvākās ierīces saules enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā (jo tā ir tieša vienpakāpes enerģijas pārnešana) ir pusvadītāju fotoelektriskie pārveidotāji (PEC). Līdzsvara temperatūrā, kas ir aptuveni 300–350 Kelvina un saules T ~ 6000 K, kas raksturīga PVC, to ierobežojošā teorētiskā efektivitāte ir> 90%. Tas nozīmē, ka pārveidotāja struktūras un parametru optimizācijas rezultātā, lai samazinātu neatgriezeniskus enerģijas zudumus, praktisko efektivitāti ir iespējams paaugstināt līdz 50% vai vairāk (laboratorijās efektivitāte jau ir sasniegta 40%). sasniegts).
Teorētiskie pētījumi un praktiskā attīstība saules enerģijas fotoelektriskās pārveidošanas jomā ir apstiprinājusi iespēju ar PV realizēt tik augstas efektivitātes vērtības un apzinājusi galvenos veidus šī mērķa sasniegšanai.
Enerģijas pārveidošana PVC balstās uz fotoelektrisko efektu, kas rodas neviendabīgās pusvadītāju konstrukcijās, ja tiek pakļauts saules starojumam. PVC struktūras neviendabīgumu var iegūt, leģējot vienu un to pašu pusvadītāju ar dažādiem piemaisījumiem (izveidojot p - n savienojumus) vai kombinējot dažādus pusvadītājus ar nevienlīdzīgu enerģijas spraugu - elektronu atdalīšanās enerģiju no atoma (radot heterojunkcijas), vai mainot pusvadītāja ķīmiskais sastāvs, kas noved pie joslas joslas gradienta parādīšanās (šķirošanas spraugu struktūru veidošana). Ir iespējamas arī dažādas iepriekš minēto metožu kombinācijas. Pārveidošanas efektivitāte ir atkarīga no nehomogēnās pusvadītāju struktūras elektrofizikālajām īpašībām, kā arī no PVC optiskajām īpašībām, starp kurām vissvarīgākā loma ir fotovadītspējai, pateicoties pusvadītāju iekšējā fotoelektriskā efekta parādībām, kad tās tiek apstarotas ar saules gaisma. PVC darbības princips ir izskaidrojams ar pārveidotāju piemēru ar p-n-krustojumu, ko plaši izmanto mūsdienu saules un kosmosa enerģijā. Elektronu caurumu savienojums tiek izveidots, leģējot viena kristāla pusvadītāju materiāla plāksni ar noteikta veida vadītspēju (ti, vai nu p- vai n-veida) ar piemaisījumu, kas nodrošina virsmas slāņa izveidi ar pretējo vadītspējas veids.
Piedevas koncentrācijai šajā slānī jābūt ievērojami augstākai par piemaisījuma koncentrāciju bāzes (sākotnējā monokristāla) materiālā, lai neitralizētu tur esošos galvenos brīvos lādiņnesējus un radītu pretējas zīmes vadītspēju. Iztukšošanās zonas ar nekompensētu pozitīvu tilpuma lādiņu n slānī un negatīvu tilpuma lādiņu p slānī veidojas pie n un p slāņu robežas lādiņa plūsmas rezultātā. Kopā šīs zonas veido p-n-krustojumu. Potenciālā barjera (kontakta potenciāla starpība), kas rodas pārejas laikā, neļauj iziet vairākuma lādiņu nesējiem, t.i. elektroni no p-slāņa puses, bet mazākuma nesēji brīvi iet pretējos virzienos. Tieši šis p-n krustojumu īpašums nosaka iespēju iegūt foto-emf, apstarojot PVC ar saules gaismu. Gaismas radītie nelīdzsvarotības lādiņu nesēji (elektronu caurumu pāri) abos PVC slāņos ir atdalīti p-n-krustojumā: mazākuma nesēji (t.i., elektroni) brīvi iet caur krustojumu, bet galvenie nesēji (caurumi) ir aizkavēti. Tādējādi saules starojuma ietekmē caur p-krustojumu abos virzienos plūst nevienlīdzīga mazākuma lādiņu nesēju, fotoelektronu un foto caurumu strāva, kas ir tieši tas, kas nepieciešams PVC darbībai. Ja mēs tagad aizveram ārējo ķēdi, tad elektroni no n-slāņa, veicot darbu pie slodzes, atgriezīsies p-slānī un tur rekombinēsies (apvienosies) ar caurumiem, kas pārvietojas PVC iekšpusē pretējā virzienā. Uz PVC pusvadītāju struktūras virsmas ir kontaktu sistēma elektronu savākšanai un noņemšanai ārējā ķēdē. Pārveidotāja priekšējā, apgaismotā virsmā kontakti ir izgatavoti režģa vai ķemmes veidā, un uz aizmugurējās virsmas tie var būt cieti.
Galvenie neatgriezeniskie enerģijas zudumi PVC ir saistīti ar:
- saules starojuma atstarošana no devēja virsmas,
- starojuma daļas pāreja caur PVC bez absorbcijas tajā,
- liekās fotonu enerģijas izkliedēšana uz režģa termiskajām vibrācijām,
- rekombinējot izveidotos fotopārus uz PVC virsmām un tilpuma,
- pārveidotāja iekšējā pretestība,
- un daži citi fiziski procesi.
Lai samazinātu visu veidu enerģijas zudumus FEP, tiek izstrādāti un veiksmīgi piemēroti dažādi pasākumi. Tie ietver:
- pusvadītāju izmantošana ar optimālu joslas joslu saules starojumam;
- pusvadītāju struktūras īpašību virziena uzlabošana, izmantojot tās optimālo leģēšanu un iebūvētu elektrisko lauku izveidi;
- pāreja no viendabīgām uz neviendabīgām un pakāpeniskas spraugas pusvadītāju struktūrām;
- PVC konstrukcijas parametru optimizācija (p-n-krustojuma dziļums, pamatnes slāņa biezums, kontakta režģa biežums utt.);
- daudzfunkcionālu optisko pārklājumu izmantošana, kas nodrošina pretatstarošanos, termisko kontroli un saules bateriju aizsardzību pret kosmisko starojumu;
- tādu PVC izstrādāšana, kas ir pārredzami Saules spektra garo viļņu apgabalā ārpus galvenās absorbcijas joslas malas;
- kaskādes PVC izveide no pusvadītājiem, kas īpaši izvēlēti aizliegtās zonas platumam, kas ļauj katrā kaskādē pārveidot starojumu, kas izgājis cauri iepriekšējai kaskādei utt.;
Ievērojams PVC efektivitātes pieaugums tika panākts, izveidojot pārveidotājus ar divpusēju jutību (līdz + 80% no vienas puses jau esošās efektivitātes), izmantojot luminiscējošas, atkārtoti izstarojošas struktūras, iepriekšēju saules staru sadalīšanos. spektru divos vai vairākos spektra reģionos, izmantojot daudzslāņu plēves staru sadalītājus (dihroiskos spoguļus), pēc tam katru spektra daļu pārveidojot ar atsevišķu PVC utt.
SES (saules elektrostacijas) enerģijas pārveidošanas sistēmās principā jebkura veida dažādu struktūru PV šūnas, kas izveidotas un tiek izstrādātas pašlaik, var izmantot, pamatojoties uz dažādiem pusvadītāju materiāliem, taču ne visas tās atbilst kopumam prasības šīm sistēmām:
- augsta uzticamība ar ilgu (desmitiem gadu!) darba resursu;
- izejvielu pieejamība pietiekamā daudzumā transformācijas sistēmas elementu ražošanai un iespēja organizēt to masveida ražošanu;
- enerģijas izmaksas, kas pieņemamas, ņemot vērā atmaksāšanās periodus konversijas sistēmas izveidei;
- minimālais enerģijas un masas patēriņš, kas saistīts ar jaudas pārveidošanas un pārvades sistēmas (telpas) vadību, ieskaitot stacijas orientāciju un stabilizāciju kopumā;
- apkopes vieglums.
Tā, piemēram, dažus daudzsološus materiālus ir grūti iegūt SES izveidei nepieciešamajā daudzumā, jo izejvielu dabiskās rezerves ir ierobežotas un to apstrāde ir sarežģīta. Dažas metodes, lai uzlabotu PVC enerģētiskās un ekspluatācijas īpašības, piemēram, veidojot sarežģītas struktūras, ir slikti saderīgas ar iespējām organizēt to masveida ražošanu par zemām izmaksām utt. Augstu produktivitāti var sasniegt, tikai organizējot pilnībā automatizētu FEP ražošanu, piemēram, pamatojoties uz lentes tehnoloģiju, un izveidojot attīstītu atbilstoša profila specializētu uzņēmumu tīklu, t.i. patiesībā vesela nozare, kas mērogā atbilst mūsdienu radioelektronikas nozarei. Saules elementu izgatavošana un saules elementu montāža uz automatizētām līnijām samazinās akumulatora moduļa izmaksas 2-2,5 reizes.
Silīcijs un gallija arsenīds (GaAs) pašlaik tiek uzskatīti par visticamākajiem materiāliem fotoelektriskajām sistēmām saules enerģijas SES pārveidošanai, un pēdējā gadījumā mēs runājam par heterofotovoltaic pārveidotājiem (HFP) ar AlGaAs-GaAs struktūru.
Ir zināms, ka PVC (fotoelektriskie pārveidotāji), kuru pamatā ir arsēna savienojums ar galliju (GaAs), ir augstāka teorētiskā efektivitāte nekā silīcija PVC, jo to joslas plaisa praktiski sakrīt ar optimālo joslas spraugu pusvadītāju saules enerģijas pārveidotājiem = 1, 4 eV. Silīcijam šis indekss = 1,1 eV.
Sakarā ar augstāku saules starojuma absorbcijas līmeni, ko nosaka tiešas optiskās pārejas GaAs, uz tiem balstītu PVC augstu efektivitāti var iegūt daudz mazākā PVC biezumā salīdzinājumā ar silīciju. Principā pietiek ar HFP biezumu 5-6 mikroni, lai iegūtu vismaz 20%efektivitāti, bet silīcija elementu biezums nedrīkst būt mazāks par 50-100 mikroniem, ja to efektivitāte nav ievērojami samazinājusies. . Šis apstāklis ļauj paļauties uz vieglas plēves HFP izveidi, kuras ražošanai nepieciešams salīdzinoši maz izejmateriāla, it īpaši, ja par substrātu ir iespējams izmantot nevis GaA, bet citu materiālu, piemēram, sintētisko safīru ( Al2O3).
HFP ir arī labvēlīgāki ekspluatācijas raksturlielumi no SES pārveidotājiem izvirzīto prasību viedokļa, salīdzinot ar silīcija PVC. Tādējādi jo īpaši iespēja sasniegt nelielas reversās piesātinājuma strāvu sākotnējās vērtības pn krustojumos lielas joslas spraugas dēļ ļauj samazināt efektivitātes un optimālās HES jaudas negatīvo temperatūras gradientu vērtību un turklāt ievērojami paplašināt pēdējās lineārās atkarības apgabals no gaismas plūsmas blīvuma ... HFP efektivitātes eksperimentālā atkarība no temperatūras norāda, ka pēdējās līdzsvara temperatūras paaugstināšanās līdz 150–180 ° C neizraisa būtisku to efektivitātes un optimālās īpatnējās jaudas samazināšanos. Tajā pašā laikā silīcija PVC gadījumā temperatūras paaugstināšanās virs 60-70 ° C ir gandrīz kritiska - efektivitāte samazinās uz pusi.
Pateicoties izturībai pret augstām temperatūrām, gallija arsenīda saules baterijas ļauj tām uzklāt saules starojuma koncentratorus. HFP darba temperatūra uz GaAs sasniedz 180 ° C, kas jau ir diezgan darba temperatūra siltuma dzinējiem un tvaika turbīnām. Tādējādi gallija arsenīda HFP 30% raksturīgajai efektivitātei (pie 150 ° C) mēs varam pievienot siltuma dzinēja efektivitāti, izmantojot fotoelementu dzesēšanas šķidruma atkritumus. Tāpēc kopējā iekārtas efektivitāte, kurā tiek izmantots arī trešais zemas temperatūras siltuma ieguves cikls no dzesēšanas šķidruma pēc turbīnas telpu apsildīšanai, var būt pat augstāka par 50-60%.
Turklāt uz GaAs balstīti HFP daudz mazākā mērā nekā silīcija PVC ir pakļauti iznīcināšanai, izmantojot augstas enerģijas protonu un elektronu plūsmas, pateicoties augstajam gaismas absorbcijas līmenim GaAs, kā arī mazajām nepieciešamajām mazākuma pārvadātāju kalpošanas laiks un difūzijas ilgums. Turklāt eksperimenti ir parādījuši, ka ievērojama daļa HFP starojuma defektu, pamatojoties uz GaAs, pazūd pēc to termiskās apstrādes (atlaidināšanas) temperatūrā, kas ir tikai aptuveni 150–180 ° C. Ja GaAs HES pastāvīgi darbosies aptuveni 150 ° C temperatūrā, tad to efektivitātes starojuma degradācijas pakāpe visā staciju aktīvās darbības laikā būs salīdzinoši maza (tas jo īpaši attiecas uz kosmosa saules elektrostacijām, kam ir mazs PVC svars un izmērs un augsta efektivitāte) ...
Kopumā mēs varam secināt, ka HFP enerģijas, masas un darbības raksturlielumi, kuru pamatā ir GaA, vairāk atbilst SES un SCES (kosmosa) prasībām nekā silīcija PVC īpašības. Tomēr silīcijs ir daudz vieglāk pieejams un plaši izmantots materiāls ražošanā nekā gallija arsenīds. Silīcija dabā ir plaši izplatīta, un izejvielu piegāde PVC izveidei, pamatojoties uz to, ir praktiski neierobežota. Silīcija saules bateriju ražošanas tehnoloģija ir labi attīstīta un tiek pastāvīgi uzlabota. Ieviešot jaunas automatizētas ražošanas metodes, kas jo īpaši ļauj iegūt silīcija lentes, lielas platības saules baterijas utt., Ir reālas izredzes samazināt silīcija saules bateriju izmaksas par vienu vai divām kārtām.
Silīcija fotoelektrisko bateriju cenas 25 gadu laikā ir samazinājušās 20-30 reizes no 70-100 ASV dolāriem par vatu septiņdesmitajos gados līdz 3,5 ASV dolāriem par vatu 2000. gadā un turpina samazināties vēl vairāk. Rietumos ir gaidāma revolūcija enerģētikas nozarē brīdī, kad cena pārsniedz 3 ASV dolāru robežvērtību. Pēc dažiem aprēķiniem, tas var notikt jau 2002. gadā, bet Krievijai ar pašreizējiem enerģijas tarifiem šis brīdis pienāks, kad cena par 1 vatu SB būs 0,3–0,5 ASV dolāri, tas ir, par cenu par zemāku cenu. Kopā tiem ir sava nozīme: tarifi, klimats, ģeogrāfiskie platuma grādi, valsts spēja veikt reālu cenu noteikšanu un ilgtermiņa ieguldījumi. Faktiski funkcionējošās struktūrās ar heterojunkcijām efektivitāte šodien sasniedz vairāk nekā 30%, bet viendabīgos pusvadītājos, piemēram, monokristāliskā silīcija - līdz 18%. Vidējā efektivitāte saules baterijās, kuru pamatā ir monokristālisks silīcijs, šodien ir aptuveni 12%, lai gan tā sasniedz 18%. Būtībā tas ir silīcija SB, ko šodien var redzēt uz māju jumtiem visā pasaulē.
Atšķirībā no silīcija, gallijs ir ļoti trūcīgs materiāls, kas ierobežo iespējas ražot HFP, pamatojoties uz GaA, daudzumos, kas nepieciešami plašai ieviešanai.
Galiju galvenokārt iegūst no boksīta, bet tiek apsvērta arī iespēja to iegūt no ogļu pelniem un jūras ūdens. Lielākās gallija rezerves ir jūras ūdenī, taču tā koncentrācija tur ir ļoti zema, reģenerācijas līmenis tiek lēsts tikai 1% apmērā, un tāpēc ražošanas izmaksas, visticamāk, būs pārmērīgas. Tehnoloģija HFP ražošanai, kuras pamatā ir GaA, izmantojot šķidrās un gāzes epitaksijas metodes (viena kristāla orientēta augšana uz cita virsmas (uz pamatnes)), vēl nav tik attīstīta kā silīcija ražošanas tehnoloģija. PVC, un līdz ar to HFP izmaksas tagad ir ievērojami augstākas (pēc pasūtījuma) no PVC izmaksām no silīcija.
Kosmosa kuģos, kur saules baterijas ir galvenais strāvas avots un kur skaidras masas, izmēra un efektivitātes attiecības ir ļoti svarīgas, galvenais materiāls saulei. akumulators, protams, ir gallija arsenīds. Kosmosa SES ļoti svarīga ir šī savienojuma spēja PVC sastāvā nezaudēt efektivitāti, karsējot ar 3-5 reizes koncentrētāku saules starojumu, kas attiecīgi samazina vajadzību pēc ierobežota gallija. Papildu rezerve gallija taupīšanai ir saistīta ar sintētiskā safīra (Al2O3), nevis GaAs izmantošanu kā HFP substrātu.
Iespējams, ka ievērojami samazināsies arī to HES izmaksas to masveida ražošanā, kuru pamatā ir uzlabotā tehnoloģija, un kopumā SES jaudas pārveidošanas sistēmas, kuras pamatā ir GaAs HFP, pārveides sistēmas izmaksas var būt diezgan salīdzināmas ar izmaksām sistēmas, kuras pamatā ir silīcijs. Tādējādi šobrīd ir grūti pilnībā dot skaidru priekšroku vienam no diviem uzskatītajiem pusvadītāju materiāliem - silīcijam vai gallija arsenīdam, un tikai to ražošanas tehnoloģijas tālāka attīstība parādīs, kura iespēja būs racionālāka sauszemes un kosmosa saules enerģijai. enerģētikas inženieri. Ciktāl SB izdala līdzstrāvu, rodas uzdevums to pārveidot par rūpniecisku 50 Hz, 220 V. maiņstrāvu. Īpaša ierīču klase - invertori - lieliski tiek galā ar šo uzdevumu.
Fotoelektriskās sistēmas aprēķins.
Saules bateriju enerģiju var izmantot tāpat kā citu enerģijas avotu enerģiju, tikai ar to, ka saules baterijas nebaidās no īssavienojumiem. Katrs no tiem ir paredzēts, lai saglabātu noteiktu strāvas stiprumu pie noteiktā sprieguma. Bet atšķirībā no citiem pašreizējiem avotiem saules baterijas īpašības ir atkarīgas no gaismas daudzuma, kas nokrīt uz tās virsmas. Piemēram, pretimnākošais mākonis var samazināt izejas jaudu par vairāk nekā 50%. Turklāt novirzes tehnoloģiskajos režīmos rada vienas partijas elementu izejas parametru izkliedi. Līdz ar to vēlme maksimāli palielināt fotoelektrisko pārveidotāju efektivitāti noved pie nepieciešamības sakārtot šūnas atbilstoši izejas strāvai. Kā ilustratīvu piemēru tam, ka “bēdīga aita sabojā visu ganāmpulku”, mēs varam minēt sekojošo: sagriež caurules daļu ar daudz mazāku diametru liela diametra ūdensvada plīsumā, kā rezultātā ūdenstece krasi jāsamazina. Kaut kas līdzīgs notiek saules bateriju ķēdē, kas pēc izvades parametriem nav vienāda.
Silīcija saules baterijas ir nelineāras ierīces, un to uzvedību nevar aprakstīt ar vienkāršu formulu, piemēram, Oma likumu. Tā vietā, lai izskaidrotu elementa īpašības, varat izmantot viegli saprotamu līkņu saimi-strāvas sprieguma raksturlielumus (VAC)
Atvērtās ķēdes spriegums, ko rada viena šūna, vienā partijā un vienā ražotājā nedaudz atšķiras un ir aptuveni 0,6 V. Šī vērtība nav atkarīga no šūnas lieluma. Ar pašreizējo situācija ir atšķirīga. Tas ir atkarīgs no gaismas intensitātes un elementa lieluma, kas nozīmē tā virsmas laukumu.
Elements, kura izmērs ir 100 100 mm, ir 100 reizes lielāks par elementu, kura izmērs ir 10 10 mm, un tāpēc tādā pašā apgaismojumā tas izdalīs 100 reizes lielāku strāvu.
Ielādējot elementu, jūs varat attēlot izejas jaudas atkarību no sprieguma, iegūstot kaut ko līdzīgu tam, kas parādīts 2. attēlā
Maksimālā jauda atbilst aptuveni 0,47 V. lai izejas spriegums būtu 0,47 V. Pēc tam, kad saules elementi ir izvēlēti darbam, jums tie ir jālodē. Sērijas elementi ir aprīkoti ar kolektoru režģiem, kas paredzēti vadītāju lodēšanai.
Baterijas var kombinēt jebkurā vēlamajā kombinācijā. Vienkāršākais akumulators ir virkne šūnu, kas savienotas virknē. Jūs varat arī savienot virknes paralēli, lai izveidotu tā saukto sērijveida paralēlo savienojumu.
Svarīgs punkts saules bateriju darbībā ir to temperatūras režīms. Sildot elementu par vienu grādu virs 25 ° C, tas zaudē 0,002 V spriegumu, t.i. 0,4% / grāds. 3. attēlā parādīta I - V raksturlielumu saime temperatūrai 25 ° С un 60 ° С.
Spilgti saulainā dienā elementi sakarst līdz 60-70 ° C, zaudējot katrs 0,07-0,09 V. Tas ir galvenais iemesls saules bateriju efektivitātes samazināšanai, kā rezultātā rodas šūnas sprieguma kritums. Parastās saules baterijas efektivitāte pašlaik svārstās no 10-16%. Tas nozīmē, ka šūna ar izmēru no 100 līdz 100 mm standarta apstākļos var radīt 1-1,6 vatus.
Visas fotoelektriskās sistēmas var iedalīt divos veidos: atsevišķas un savienotas ar tīklu. Otrā tipa stacijas nodrošina enerģijas pārpalikumu tīklam, kas kalpo par rezervi iekšēja enerģijas deficīta gadījumā.
Autonomā sistēma parasti sastāv no saules moduļu komplekta, kas atrodas uz atbalsta konstrukcijas vai uz jumta, akumulatora (akumulatora), izlādes kontroliera - akumulatora uzlādes un savienojošajiem kabeļiem. Saules moduļi ir fotoelektrisko sistēmu veidošanas galvenā sastāvdaļa. Tos var ražot ar jebkuru izejas spriegumu.
Pēc saules elementu izvēles tie ir jāpielodē. Sērijas elementi ir aprīkoti ar kolektoru režģiem vadītāju lodēšanai. Baterijas var kombinēt jebkurā kombinācijā.
Vienkāršākais akumulators ir virkne šūnu, kas savienotas virknē.
Jūs varat savienot šīs virknes paralēli, lai izveidotu tā saukto sērijas paralēlo savienojumu. Paralēli var savienot tikai ķēdes (lineālus) ar identisku spriegumu, savukārt to strāvas tiek summētas saskaņā ar Kirhofa likumu.
Lietošanai uz zemes tos parasti izmanto, lai uzlādētu akumulatorus (akumulatorus) ar nominālo spriegumu 12 V. Šajā gadījumā, kā likums, 36 saules baterijas ir savienotas virknē un aizzīmogotas, laminējot uz stikla, PCB, alumīnija. Šajā gadījumā elementi atrodas starp diviem blīvējuma plēves slāņiem bez gaisa spraugas. Vakuuma laminēšanas tehnoloģija atbilst šai prasībai. Gaisa spraugas gadījumā starp aizsargstiklu un elementu atstarošanas un absorbcijas zudumi sasniegtu 20-30% salīdzinājumā ar 12% bez gaisa spraugas.
Saules baterijas elektriskie parametri standarta testa apstākļos tiek parādīti kā atsevišķa saules baterija volt -ampēra līknes veidā, ti, ar saules starojumu 1000 W / m2, temperatūru - 25 ° C un saules spektru 45 ° platums (AM1.5) ...
Līknes krustošanās punktu ar sprieguma asi sauc par atvērtās ķēdes spriegumu - Uxx, krustošanās punktu ar strāvas asi - īssavienojuma strāvu Isc.
Moduļa maksimālā jauda tiek definēta kā lielākā jauda STC (standarta pārbaudes apstākļos). Spriegumu, kas atbilst maksimālajai jaudai, sauc par maksimālo jaudas spriegumu (darba spriegums - uz augšu), un atbilstošo strāvu sauc par maksimālo jaudas strāvu (darba strāva - Ip).
Tāpēc 36 šūnu moduļa darba spriegums 25 ° C temperatūrā būs aptuveni 16 ... 17 V (0,45 ... 0,47 V uz šūnu).
Šāda sprieguma robeža, salīdzinot ar pilnu akumulatora uzlādes spriegumu (14,4 V), ir nepieciešama, lai kompensētu zaudējumus akumulatora uzlādes -izlādes kontrollerī (par to runāsim vēlāk), un būtībā - moduļa darba spriegums, kad modulis tiek uzkarsēts ar starojumu: silīcija temperatūras koeficients ir aptuveni mīnus 0,4% / grāds (0,002 V / grāds vienai šūnai).
Jāatzīmē, ka moduļa atvērtās ķēdes spriegums ir maz atkarīgs no apgaismojuma, savukārt īssavienojuma strāva un attiecīgi darba strāva ir tieši proporcionāla apgaismojumam.
Tādējādi, sildot reālos ekspluatācijas apstākļos, moduļi tiek uzkarsēti līdz 60-70 ° C temperatūrai, kas atbilst darba sprieguma punkta nobīdei, piemēram, modulim ar darba spriegumu 17 V - no 17 V līdz 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V uz šūnu).
Pamatojoties uz iepriekš minēto, ir jāpieiet pie moduļa sērijveidā savienoto elementu skaita aprēķināšanas. Ja patērētājam ir nepieciešams maiņstrāvas spriegums, šim komplektam tiek pievienots tiešā sprieguma pārveidotājs pārveidotājam. .
Ar FES aprēķinu saprot moduļu nominālās jaudas noteikšanu, to skaitu, savienojuma shēmas; akumulatora tipa, darbības apstākļu un jaudas izvēle; invertora un uzlādes-izlādes regulatora jaudas; savienojošo kabeļu parametru noteikšana.
Pirmkārt, ir jānosaka visu vienlaikus pieslēgto patērētāju kopējā jauda. Katra no tiem jauda tiek mērīta vatos un ir norādīta produkta pasēs. Šajā posmā jau ir iespējams izvēlēties invertora jaudu, kurai jābūt vismaz 1,25 reizes lielākai par aprēķināto. Jāpatur prātā, ka tik sarežģīta ierīce kā kompresora ledusskapis palaišanas brīdī patērē 7 reizes vairāk enerģijas nekā pase.
Invertoru nominālais diapazons ir 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Spēcīgām stacijām (vairāk nekā 1 kW) stacijas spriegums tiek izvēlēts vismaz 48 V, jo pie lielākas jaudas invertori darbojas labāk ar lielāku ieejas spriegumu.
Nākamais solis ir noteikt akumulatora ietilpību. Akumulatora jauda tiek izvēlēta no standarta konteineru klāsta, kas noapaļots uz sānu, kas ir lielāka par aprēķināto. Un aprēķināto jaudu iegūst, vienkārši dalot patērētāju kopējo jaudu ar akumulatora sprieguma reizinājumu ar akumulatora izlādes dziļuma vērtību frakcijās.
Piemēram, ja patērētāju kopējā jauda ir 1000 Wh dienā un 12 V akumulatora pieļaujamais izlādes dziļums ir 50%, tad aprēķinātā jauda būs:
1000 / (12 x 0,5) = 167 A * st
Aprēķinot akumulatora jaudu pilnīgi autonomā režīmā, jāņem vērā mākoņainu dienu klātbūtne dabā, kuru laikā akumulatoram jānodrošina patērētāju darbs.
Pēdējais solis ir noteikt kopējo jaudu un saules moduļu skaitu. Aprēķinam būs nepieciešama saules starojuma vērtība, kas tiek ņemta stacijas darbības laikā, kad saules starojums ir minimāls. Gadu izmantošanas gadījumā tas ir decembris.
Sadaļā “Meteoroloģija” ir norādītas ikmēneša un gada kopējās saules starojuma vērtības galvenajiem Krievijas reģioniem, kā arī gradācija atbilstoši dažādām gaismas uztveršanas plaknes orientācijām.
No turienes ņemot saules starojuma vērtību mūs interesējošajā periodā un dalot to ar 1000, mēs iegūstam tā saukto pikstundu skaitu, ti, nosacīto laiku, kurā saule spīd, it kā, ar intensitāte 1000 W / m2.
Piemēram, attiecībā uz Maskavas platumu un jūliju saules starojuma vērtība ir 167 kWh / m2, ja vieta ir orientēta uz dienvidiem 40o leņķī pret horizontu. Tas nozīmē, ka jūlijā vidējā saule spīd 167 stundas (5,5 stundas dienā) ar intensitāti 1000 W / m2, lai gan maksimālais apgaismojums pusdienlaikā vietā, kas orientēta perpendikulāri gaismas plūsmai, nepārsniedz 700-750 W / m2.
Modulis ar jaudu Pw izvēlētajā periodā radīs šādu enerģijas daudzumu: W = k Pw E / 1000, kur E ir insolācijas vērtība izvēlētajā periodā, k ir koeficients, kas vienāds ar 0,5 vasarā un 0,7 ziemā.
Šis faktors koriģē saules bateriju jaudas zudumu, sildot saulē, kā arī ņem vērā slīpo staru biežumu uz moduļu virsmas dienas laikā.
Tā vērtības atšķirība ziemā un vasarā ir saistīta ar mazāku elementu sildīšanu ziemā.
Pamatojoties uz patērētās enerģijas kopējo jaudu un iepriekš minēto formulu, ir viegli aprēķināt moduļu kopējo jaudu. Un to zinot, vienkārši dalot to ar viena moduļa ietilpību, mēs iegūstam moduļu skaitu.
Veidojot PVP, ir ļoti ieteicams pēc iespējas samazināt patērētāju jaudu. Piemēram, kā apgaismotājus izmantojiet (ja iespējams) tikai dienasgaismas spuldzes. Šādas lampas, kuru patēriņš ir 5 reizes mazāks, nodrošina gaismas plūsmu, kas līdzvērtīga kvēlspuldzes gaismas plūsmai.
Mazām fotoelektriskajām elektrostacijām ir ieteicams uzstādīt tā moduļus uz grozāmā kronšteina, lai nodrošinātu optimālu rotāciju attiecībā pret krītošajiem stariem. Tas palielinās stacijas jaudu par 20-30%.
Nedaudz par invertoriem.
Invertori vai līdzstrāvas pārveidotāji maiņstrāvā ir paredzēti, lai nodrošinātu augstas kvalitātes barošanu dažādām iekārtām un ierīcēm, ja nav maiņstrāvas tīkla ar sliktu kvalitāti vai frekvenci 50 Hz un 220 V spriegumu, dažādas avārijas situācijas utt.
Invertors ir 12 (24, 48, 60) V līdzstrāvas impulsu pārveidotājs maiņstrāvā ar stabilizētu 220 V spriegumu un 50 Hz frekvenci. Lielākajai daļai invertoru izejā ir Stabilizēts SINUSOID spriegums, kas ļauj tos izmantot, lai piegādātu enerģiju gandrīz jebkurai iekārtai un ierīcei.
Strukturāli invertors ir izgatavots galda vienības formā. Invertora priekšējā panelī ir izstrādājuma darbības slēdzis un invertora darbības indikators. Produkta aizmugurējā panelī ir vadi (spailes) līdzstrāvas avota pievienošanai, piemēram, akumulators, invertora korpusa zemējuma spaile, caurums ar ventilatoru (dzesēšana), trīs polu eiro kontaktligzda savienošanai slodze.
Stabilizēts spriegums pie invertora izejas ļauj nodrošināt augstas kvalitātes barošanas avotu slodzei ieejas sprieguma izmaiņu / svārstību laikā, piemēram, kad akumulators ir izlādējies, vai slodzes patērētās strāvas svārstības. . Līdzstrāvas avota garantētā galvaniskā izolācija pie ieejas un maiņstrāvas ķēdes ar slodzi pie invertora izejas ļauj neveikt papildu pasākumus, lai nodrošinātu ekspluatācijas drošību, izmantojot dažādus līdzstrāvas avotus vai jebkuru elektroiekārtu. Jaudas bloka piespiedu dzesēšana un zems trokšņa līmenis invertora darbības laikā ļauj, no vienas puses, nodrošināt labu produkta svaru un izmērus, no otras puses, ar šāda veida dzesēšanu tas nerada neērtības ekspluatācijā trokšņa veidā.
- Iebūvēts vadības panelis ar elektronisku displeju
- Kapacitātes potenciometrs, kas ļauj veikt precīzus pielāgojumus
- Normalizēta piesprausta sloksne: WE WY STEROW
- Iebūvēts bremžu pagrieziens
- Radiators ar ventilatoru
- Estētisks stiprinājums
- Barošanas avots 230 V - 400 V
- Pārslodze 150% - 60s
- Pacelšanās laiks 0,01 ... 1000 sekundes
- Iebūvēts A klases elektriskais filtrs
- Darba temperatūra: no -5 ° C - līdz + 45 ° C
- RS 485 ports
- Frekvences pakāpju regulēšana: 0,01 Hz - 1 kHz
- Aizsardzības klase IP 20
Funkcionāli nodrošina: frekvences palielināšana, samazināšana, pārslodzes kontrole, pārkaršana.
Lielākajai daļai atjaunojamo energoresursu - hidroenerģijai, okeānu mehāniskajai un termiskajai enerģijai, vēja un ģeotermālajai enerģijai - raksturīgs vai nu ierobežots potenciāls, vai arī ievērojamas grūtības to plašā izmantošanā. Lielākās daļas atjaunojamo enerģijas avotu kopējais potenciāls palielinās enerģijas patēriņu no pašreizējā līmeņa tikai par kārtību. Bet ir vēl viens enerģijas avots - saule. Saule, spektrālās klases 2 zvaigzne, dzeltenais punduris, ir ļoti vidēja zvaigzne visos galvenajos parametros: masā, rādiusā, temperatūrā un absolūtajā lielumā. Bet šai zvaigznei ir viena unikāla iezīme - tā ir "mūsu zvaigzne", un cilvēce visu savu eksistenci ir parādā šai vidējai zvaigznei. Mūsu gaismeklis apgādā Zemi ar jaudu aptuveni 10 17 W - tāda ir "saules staru" jauda, kuras diametrs ir 12,7 tūkstoši km, kas nepārtraukti izgaismo mūsu planētas pusi, kas vērsta pret Sauli. Saules gaismas intensitāte jūras līmenī dienvidu platuma grādos, kad Saule atrodas zenītā, ir 1 kW / m2. Izstrādājot ļoti efektīvas metodes saules enerģijas pārveidošanai, saule var nodrošināt plaukstošas enerģijas vajadzības daudzus simtus gadu.
Saules enerģijas plašas izmantošanas pretinieku argumenti galvenokārt ir saistīti ar šādiem argumentiem:
1. Saules starojuma īpatnējā jauda ir maza, un liela mēroga saules enerģijas pārveidošanai būs vajadzīgas ļoti lielas platības.
2. Saules enerģijas pārveidošana ir ļoti dārga un prasa gandrīz nereālas materiālu un darbaspēka izmaksas.
Patiešām, cik liela būs Zemes platība, ko aptver pārveidošanas sistēmas, lai saražotu ievērojamu elektroenerģijas daļu pasaules enerģētikas budžetā? Acīmredzot šī joma ir atkarīga no izmantoto konversijas sistēmu efektivitātes. Lai novērtētu fotoelementu pārveidotāju efektivitāti, kas tieši pārveido saules enerģiju elektroenerģijā, izmantojot pusvadītāju fotoelementus, mēs ieviešam fotoelementa efektivitātes (efektivitātes) jēdzienu, kas definēts kā šī elementa radītās elektroenerģijas jaudas attiecība pret a saules stars nokrīt uz fotoelementa virsmas. Tātad, ja saules pārveidotāju efektivitāte ir vienāda ar 10% (tipiskās silīcija fotoelementu efektivitātes vērtības, kas plaši apgūtas sērijveida rūpnieciskajā ražošanā zemes enerģijas vajadzībām), lai saražotu 10 12 W elektroenerģijas, būtu jāaptver 4 * 10 10 m 2 platība, kas vienāda ar kvadrātu ar 200 km malu. Šajā gadījumā saules starojuma intensitāte tiek ņemta vienāda ar 250 W / m2, kas atbilst dienvidu platuma grādiem raksturīgajai vidējai vērtībai visu gadu. Tas ir, saules starojuma "zemais blīvums" nav šķērslis liela mēroga saules enerģijas attīstībai.
Iepriekš minētie apsvērumi ir diezgan spēcīgs arguments: saules enerģijas pārveidošanas problēma ir jāatrisina šodien, lai šo enerģiju varētu izmantot rīt. Jūs varat vismaz jokojot apsvērt šo problēmu, risinot enerģētikas problēmas kontrolētai kodolsintēzei, kad daba ir izveidojusi efektīvu reaktoru (Sauli), kas nodrošina uzticamas un drošas darbības resursus daudzus miljonus gadu, un mūsu uzdevums ir tikai izveidot uz zemes bāzētu pārveidotāju apakšstaciju. Nesen pasaulē tika veikti plaši pētījumi saules enerģijas jomā, kas parādīja, ka tuvākajā nākotnē šī enerģijas iegūšanas metode var kļūt ekonomiski pamatota un atrast plašu pielietojumu.
Krievija ir bagāta ar dabas resursiem. Mums ir ievērojamas fosilā kurināmā rezerves - ogles, nafta, gāze. Tomēr mūsu valstij liela nozīme ir arī saules enerģijas izmantošanai. Neskatoties uz to, ka ievērojama Krievijas teritorijas daļa atrodas augstos platuma grādos, daži ļoti lieli mūsu valsts dienvidu reģioni klimata ziņā ir ļoti labvēlīgi saules enerģijas plašai izmantošanai.
Saules enerģijas izmantošanai Zemes ekvatoriālās jostas valstīs un reģioniem, kas atrodas tuvu šai jostai, kam raksturīgs augsts saules enerģijas piegādes līmenis, ir vēl lielākas perspektīvas. Tādējādi vairākos Vidusāzijas reģionos tiešās saules apstarošanas ilgums sasniedz 3000 stundas gadā, un saules enerģijas ikgadējā ierašanās uz horizontālas virsmas ir 1500 - 1850 kW o stunda / m 2.
Galvenās darba jomas saules enerģijas pārveidošanas jomā pašlaik ir:
- tieša termiskā apkure (siltumenerģijas iegūšana) un termodinamiskā transformācija (elektroenerģijas iegūšana ar saules enerģijas starpposma pārvēršanu siltumenerģijā);
- saules enerģijas fotoelektriskā pārveidošana.
Tiešā termiskā apkure ir vienkāršākā saules enerģijas pārveidošanas metode, un to plaši izmanto Krievijas dienvidu reģionos un ekvatoriālās jostas valstīs saules apkures iekārtās, karstā ūdens apgādē, ēku dzesēšanā, atsāļošanā utt. Saules siltumu izmantojošu iekārtu pamatā ir plakanie saules kolektori - saules starojuma absorbētāji. Ūdens vai cits šķidrums, saskaroties ar absorbētāju, tiek uzkarsēts un no tā tiek izvadīts ar sūkni vai dabisko cirkulāciju. Tad uzsildītais šķidrums nonāk krātuvē, no kurienes tas tiek patērēts pēc vajadzības. Šāda ierīce atgādina sadzīves karstā ūdens apgādes sistēmu.
Elektroenerģija ir ērtākais enerģijas veids izmantošanai un pārvadīšanai. Tāpēc ir saprotama pētnieku interese par saules elektrostaciju attīstību un izveidi, izmantojot saules enerģijas starpposma pārvēršanu siltumā ar tās turpmāko pārvēršanu elektrībā.
Pasaulē šobrīd visbiežāk sastopamas divu veidu saules termoelektrostacijas: 1) torņa tips ar saules enerģijas koncentrāciju vienā saules uztvērējā, ko veic, izmantojot lielu skaitu plakanu spoguļu; 2) izkliedētas paraboloīdu un parabolisko cilindru sistēmas, kuru uzmanības centrā ir siltuma uztvērēji un mazjaudas pārveidotāji.
2. SAULES ENERGIJAS ATTĪSTĪBA
70. gadu beigās - 80. gadu sākumā dažādās pasaules valstīs tika uzbūvētas septiņas tā sauktā torņa tipa izmēģinājuma saules elektrostacijas (SPP) ar jaudas līmeni no 0,5 līdz 10 MW. Lielākā saules elektrostacija ar jaudu 10 MW (Solar Оne) tika uzcelta Kalifornijā. Visi šie SES ir veidoti pēc tāda paša principa: lauks, kas atrodas heliostata spoguļu zemes līmenī, kas seko saulei, atspoguļo saules starus uz uztvērēja-uztvērēja, kas uzstādīts diezgan augsta torņa augšpusē. Uztvērējs būtībā ir saules katls, kas rada vidēja izmēra tvaiku, kas pēc tam tiek nosūtīts uz standarta tvaika turbīnu.
Otru projektu - torņu saules elektrostaciju PHOEBUS īsteno Vācijas konsorcijs. Projekts paredz izveidot demonstrācijas hibrīda (saules kurināmā) saules elektrostaciju ar jaudu 30 MW ar tilpuma uztvērēju, kurā tiks uzsildīts atmosfēras gaiss, kas pēc tam tiek nosūtīts uz tvaika katlu, kur rodas ūdens tvaiki, kas darbojas Rankine ciklā. Gaisa ceļā no uztvērēja līdz katlam ir paredzēts deglis dabasgāzes dedzināšanai, kura daudzumu regulē tā, lai visas dienas garumā tiktu saglabāta dotā jauda. Aprēķini rāda, ka, piemēram, par ikgadējo saules starojumu 6,5 GJ / m2 (līdzīgi tam, kas raksturīgs Ukrainas dienvidu reģioniem), šī SPP, kuras kopējā heliostata virsma ir 160 tūkstoši m2, saņems 290,2 GW * h / gadā saules enerģijas, un ar degvielu ieviestās enerģijas daudzums būs 176,0 GW * h / gadā. Tajā pašā laikā SPP saražo 87,9 GW * h elektroenerģijas gadā ar vidējo gada efektivitāti 18,8%. Izmantojot šādus rādītājus, SES saražotās elektroenerģijas izmaksas var sagaidīt TES līmenī, izmantojot fosilo kurināmo.
Kopš 80. gadu vidus Kalifornijas dienvidos LUZ ir izveidojusi un komerciāli izmantojusi deviņus SPP ar paraboliskiem cilindriskiem koncentratoriem (PCC) ar vienības jaudu, kas no pirmās SPP pieauga no 13,8 līdz 80 MW. Šo HES kopējā jauda ir sasniegusi 350 MW. Šajos SES mēs izmantojām PCC ar diafragmu, kas palielinājās, pārejot no pirmā SES uz nākamo. Izsekojot saulei uz vienas ass, koncentrētāji koncentrē saules starojumu uz cauruļveida uztvērējiem, kas ievietoti evakuētās caurulēs. Uztvērēja iekšpusē plūst augstas temperatūras šķidrs siltumnesējs, kas uzsilst līdz 380 ° C un pēc tam atdala ūdens tvaiku siltumu tvaika ģeneratoram. Šo SPP shēma paredz arī noteiktu dabasgāzes daudzuma sadedzināšanu tvaika ģeneratorā, lai iegūtu papildu maksimālo elektroenerģiju, kā arī kompensētu samazinātu insolāciju.
Šie SES tika izveidoti un darbojās laikā, kad ASV bija likumi, kas ļāva SES darboties bez zaudējumiem. Šo likumu termiņa beigas 80. gadu beigās noveda pie tā, ka LUZ uzņēmums bankrotēja un tika apturēta jaunu šāda veida SPP būvniecība.
KJC uzņēmums (Kramеr Junction Company), kas ekspluatēja piecas no deviņām uzbūvētajām SPP (no 3 līdz 7), izvirzīja uzdevumu palielināt šo SPP efektivitāti, samazināt to ekspluatācijas izmaksas un padarīt tās ekonomiski pievilcīgas jaunajā nosacījumiem. Pašlaik šī programma tiek veiksmīgi īstenota.
Šveice ir kļuvusi par vienu no līderiem saules enerģijas izmantošanā. Kopš 1997. gada šeit tika uzceltas aptuveni 2600 saules elektrostacijas, kuru pamatā ir fotoelektriskie pārveidotāji ar jaudu no 1 līdz 1000 kW. Programma ar nosaukumu "Solar-91" un tika īstenota ar saukli "Par nepastāvīgu Šveici" dod būtisku ieguldījumu vides problēmu risināšanā un enerģētiskajā neatkarībā valstī, kas tagad importē vairāk nekā 70% enerģijas. Saules iekārta ar jaudu 2-3 kW visbiežāk tiek uzstādīta uz ēku jumtiem un fasādēm. Šāda iekārta gadā saražo vidēji 2000 kWh elektroenerģijas, kas ir pietiekami vidējas Šveices mājas sadzīves vajadzībām. Lieli uzņēmumi uzstāda saules iekārtas uz rūpniecisko ēku jumtiem ar jaudu līdz 300 kW. Šāda stacija aptver uzņēmuma vajadzības pēc elektrības par 50–60%.
Alpu augstienes apstākļos, kur elektrolīniju ierīkošana ir nerentabla, tiek būvētas arī lielas jaudas saules elektrostacijas. Ekspluatācijas pieredze rāda, ka Saule jau spēj apmierināt visu valsts dzīvojamo ēku vajadzības. Saules iekārtām, kas atrodas uz māju jumtiem un sienām, uz automaģistrāļu trokšņa aizsardzības žogiem, transporta un rūpniecības būvēm, nav nepieciešama dārga lauksaimniecības teritorija. Autonoma saules iekārta netālu no Grimsel ciema nodrošina elektrību diennakts ceļa tuneļa apgaismojumam. Netālu no Šūras pilsētas saules paneļi, kas uzstādīti uz 700 metru trokšņa barjeras posma, katru gadu saražo 100 kW elektroenerģijas.
Mūsdienu saules enerģijas izmantošanas koncepcija vispilnīgāk izpaužas logu stikla rūpnīcas ēku celtniecībā Arisdorfā, kur saules paneļiem ar kopējo jaudu 50 kW tika piešķirta griestu elementu un fasādes apdares papildu loma pat projektēšanas laikā. process. Saules pārveidotāju ar spēcīgu apkuri efektivitāte ir ievērojami samazināta, tāpēc zem paneļiem tiek novietoti ventilācijas cauruļvadi ārējā gaisa sūknēšanai. Tumši zils, dzirkstošs saulē, fotokonverteri uz administratīvās ēkas dienvidu un rietumu fasādēm, dodot elektrību tīklam, darbojas kā dekoratīvs apšuvums.
Jaunattīstības valstīs elektroenerģijas piegādei atsevišķām mājām tiek izmantotas salīdzinoši nelielas iekārtas, attālos ciematos - kultūras centru aprīkošanai, kur, pateicoties PMT, var izmantot televizorus utt. priekšplānā, bet sociālais efekts. PMT ieviešanas programmas šajās valstīs aktīvi atbalsta starptautiskās organizācijas, un Pasaules Banka piedalās to finansēšanā, pamatojoties uz tās ierosināto "Saules iniciatīvu". Piemēram, Kenijā pēdējo 5 gadu laikā 20 000 lauku māju ir elektrificētas, izmantojot PMT. Plaša programma PMT ieviešanai tiek īstenota Indijā, kur 1986. - 1992. gadā. 690 miljoni rūpiju tika iztērēti, lai uzstādītu PMT lauku apvidos.
Rūpnieciski attīstītajās valstīs PMT aktīvo ieviešanu izskaidro vairāki faktori. Pirmkārt, PMT tiek uzskatīti par videi draudzīgiem avotiem, kas var samazināt kaitīgo ietekmi uz vidi. Otrkārt, PMT izmantošana privātmājās palielina enerģijas autonomiju un aizsargā īpašnieku iespējamu centralizētas elektroapgādes pārtraukumu gadījumā.
3. SAULES ENERGIJAS FOTOELEKTRISKĀ PĀRVĒRŠANA
Svarīgu ieguldījumu pusvadītāju fotoelektriskā efekta darbības mehānisma izpratnē sniedza Krievijas Zinātņu akadēmijas Fizikotehniskā institūta (FTI) dibinātājs, akadēmiķis A.F. Ioffe. Viņš sapņoja par pusvadītāju saules bateriju izmantošanu saules enerģijā jau trīsdesmitajos gados, kad B.T. Kolomiets un Yu.P. Maslakovets Fizikotehniskajā institūtā izveidoja talija sulfīda fotoelementus ar rekorda efektivitāti šajā laikā = 1%.
Plaša praktiska saules bateriju izmantošana enerģētikas nolūkos sākās, 1958. gadā palaižot mākslīgos zemes pavadoņus -padomju "Sputnik" -3 un amerikāņu "Avangard" -1. Kopš tā laika vairāk nekā 35 gadus pusvadītāju saules baterijas ir bijis galvenais un gandrīz vienīgais barošanas avots kosmosa kuģiem un lielām Salyut un Mir tipa orbītas stacijām. Liels atlikums, ko zinātnieki bija uzkrājuši saules bateriju jomā kosmosa vajadzībām, arī ļāva sākt darbu pie zemes esošās fotoelektriskās enerģijas.
Fotoelementu pamats ir pusvadītāju struktūra ar p-n krustojumu, kas rodas divu pusvadītāju saskarnē ar dažādiem vadīšanas mehānismiem. Ņemiet vērā, ka šī terminoloģija nāk no angļu vārdiem pozitīvs un negatīvs. Dažādi vadītspējas veidi tiek iegūti, mainot pusvadītājā ievadīto piemaisījumu veidu. Tā, piemēram, D.I. periodiskās tabulas III grupas atomi. Mendeļejevs, ieviests silīcija kristāla režģī, dod pēdējam caurumam (pozitīvu) vadītspēju, un V grupas piemaisījumi - elektroniski (negatīvi). P vai n pusvadītāju kontakts noved pie kontakta elektriskā lauka veidošanās starp tiem, kam ir ārkārtīgi svarīga loma saules fotoelementa darbībā. Paskaidrosim iemeslu, kāpēc radās kontakta potenciāla atšķirība. Kad p un n tipa pusvadītāji ir savienoti vienā monokristālā, rodas elektronu difūzijas plūsma no n tipa pusvadītāja uz p tipa pusvadītāju un, otrādi, caurumu plūsma no p līdz n pusvadītājam. Šī procesa rezultātā p tipa pusvadītāja daļa, kas atrodas blakus p-n krustojumam, tiks uzlādēta negatīvi, un n-veida pusvadītāja daļa, kas atrodas blakus p-n krustojumam, gluži pretēji, iegūs pozitīvu lādiņu. Tādējādi pie p-n krustojuma veidojas dubultā uzlādēts slānis, kas neitralizē elektronu un caurumu difūzijas procesu. Patiešām, difūzijai ir tendence radīt elektronu plūsmu no n-apgabala uz p-reģionu, savukārt uzlādētā slāņa lauka mērķis, gluži pretēji, ir elektronu atgriešana n-reģionā. Līdzīgi lauks p-n krustojumā neitralizē caurumu difūziju no p-n apgabala. Divu procesu, kas darbojas pretējos virzienos (strāvas nesēju difūzija un kustība elektriskā laukā) rezultātā tiek izveidots stacionārs, līdzsvara stāvoklis: pie robežas parādās uzlādēts slānis, kas neļauj elektroniem iekļūt no n pusvadītāja un caurumi no p-pusvadītāja. Citiem vārdiem sakot, p-n krustojuma reģionā rodas enerģijas (potenciāla) barjera, kuras pārvarēšanai elektroniem no n-pusvadītāja un caurumiem no p-pusvadītāja ir jāiztērē noteikta enerģija. Neiedziļinoties p-n krustojuma elektrisko īpašību aprakstā, ko plaši izmanto taisngriežos, tranzistoros un citās pusvadītāju ierīcēs, mēs apsvērsim p-n krustojuma darbu fotoelementos.
Kad gaisma tiek absorbēta pusvadītājā, tiek ierosināti elektronu caurumu pāri. Viendabīgā pusvadītājā fotoeksitācija palielina tikai elektronu un caurumu enerģiju, nesadalot tos telpā, tas ir, elektroni un caurumi ir atdalīti "enerģijas telpā", bet ģeometriskajā telpā paliek tuvu viens otram. Lai atdalītu strāvas nesējus un parādītos fotoelektromotora spēks (fotoelektromotora spēks), ir jābūt papildu spēkam. Visefektīvākā nevienlīdzības nesēju atdalīšana notiek tieši p-n krustojuma reģionā. Radīti netālu no pn krustojuma "mazākuma" nesēji (caurumi n-pusvadītājā un elektroni p-pusvadītājā) izkliedējas pn krustojumā, tos uztver pn krustojuma lauks un izstumj pusvadītājā, kurā tie kļūst par galvenie nesēji: elektroni tiks lokalizēti n tipa pusvadītājā, bet caurumi-p tipa pusvadītājā. Rezultātā p tipa pusvadītājs ir pozitīvi uzlādēts un n tipa pusvadītājs ir negatīvs. Starp fotoelementa n- un p-reģioniem rodas potenciāla atšķirība- foto-emf. Foto-emf polaritāte atbilst pn krustojuma "uz priekšu" pārvietojumam, kas pazemina barjeras augstumu un veicina caurumu ievadīšanu no p-apgabala uz n-apgabalu un elektronu ievadīšanu no n-apgabala uz p -novads. Šo divu pretējo mehānismu iedarbības rezultātā - strāvas nesēju uzkrāšanās gaismas ietekmē un to aizplūšana potenciālās barjeras augstuma samazināšanās dēļ - pie dažādām gaismas intensitātēm tiek noteikta atšķirīga foto -emf vērtība . Šajā gadījumā foto-emf lielums plašā apgaismojuma diapazonā palielinās proporcionāli gaismas intensitātes logaritmam. Pie ļoti lielas gaismas intensitātes, kad potenciālā barjera izrādās praktiski nulle, foto-emf vērtība sasniedz "piesātinājumu" un kļūst vienāda ar barjeras augstumu neapgaismotā pn krustojumā. Apgaismots ar tiešu, kā arī koncentrētu līdz 100 - 1000 reižu lielāku saules starojumu, foto -emf lielums ir 50 - 85% no p -n krustojuma kontakta potenciāla starpības.
Tādējādi tiek aplūkots foto-emf parādīšanās process, kas rodas p-n krustojuma p- un n-reģionu kontaktos. Kad apgaismotais pn savienojums ir īssavienojums, elektriskā ķēde ieplūdīs strāvā, kas ir proporcionāla apgaismojuma intensitātes lielumam un gaismas radīto elektronu caurumu pāriem. Ja lietderīgā slodze, piemēram, ar saules enerģiju darbināms kalkulators, ir pievienota elektriskajai ķēdei, strāva ķēdē nedaudz samazināsies. Parasti lietderīgās slodzes elektrisko pretestību saules bateriju ķēdē izvēlas tā, lai iegūtu maksimālo slodzei piegādāto elektrisko jaudu.
Saules baterija ir izgatavota, pamatojoties uz plāksni, kas izgatavota no pusvadītāju materiāla, piemēram, silīcija. Plāksnē ir izveidoti reģioni ar p- un n-veida vadītspēju. Šo reģionu izveides metodes ir, piemēram, piemaisījumu difūzijas metode vai viena pusvadītāja audzēšanas metode citā. Pēc tam tiek izgatavoti apakšējie un augšējie elektriskie kontakti, apakšējais kontakts ir ciets, bet augšējais-ķemmes struktūras veidā (plānas sloksnes, kas savienotas ar samērā plašu strāvas savākšanas kopni).
Galvenais saules bateriju ražošanas materiāls ir silīcijs. Pusvadītāju silīcija un saules bateriju ražošanas tehnoloģija, pamatojoties uz to, balstās uz metodēm, kas izstrādātas mikroelektronikā - vismodernākajā rūpnieciskajā tehnoloģijā. Silīcijs, acīmredzot, parasti ir viens no visvairāk pētītajiem materiāliem dabā, turklāt otrs visvairāk pēc skābekļa. Ņemot vērā, ka pirmās saules baterijas tika izgatavotas no silīcija apmēram pirms četrdesmit gadiem, ir dabiski, ka šis materiāls spēlē pirmo vijoli saules fotoelektriskās enerģijas programmās. Monokristāliskā silīcija fotoelementi apvieno salīdzinoši lēta pusvadītāju materiāla izmantošanas priekšrocības ar augstiem uz tā balstītu ierīču parametriem.
Vēl nesen saules baterijas zemes un kosmosa vajadzībām tika izgatavotas, pamatojoties uz salīdzinoši dārgu monokristālisku silīciju. Samazinot sākotnējā silīcija izmaksas, izstrādājot augstas veiktspējas metodes plātņu ražošanai no lietņiem un progresīvas tehnoloģijas saules bateriju ražošanai, ir iespējams vairākas reizes samazināt uz zemes esošo saules bateriju izmaksas. . Galvenās darba jomas, lai vēl vairāk samazinātu "saules" elektroenerģijas izmaksas, ir šādas: elementu iegūšana, pamatojoties uz lētu, ieskaitot sloksnes, polikristālisko silīciju; lētu plānslāņa elementu izstrāde, pamatojoties uz amorfu silīciju un citiem pusvadītāju materiāliem; koncentrēta saules starojuma pārveidošana, izmantojot ļoti efektīvas silīcija bāzes šūnas un salīdzinoši jaunu pusvadītāju materiālu-alumīnija-gallija-arsēnu.
Fresneļa lēca ir 1–3 mm bieza organiskā stikla plāksne, kuras viena puse ir plakana, bet otrai ir profils koncentrisku gredzenu veidā, kas atkārto izliektas lēcas profilu. Fresnel lēcas ir ievērojami lētākas nekā parastās izliektās lēcas un nodrošina koncentrācijas līmeni 2 - 3 tūkstoši "saules".
Pēdējos gados pasaulē ir panākts ievērojams progress silīcija saules bateriju attīstībā, kas darbojas koncentrētā saules apstarošanā. Silīcija šūnas ar efektivitāti> 25% ir radītas apstarošanas apstākļos uz Zemes virsmas ar koncentrāciju 20-50 "saules". Fotoelementi, kuru pamatā ir alumīnija-gallija-arsēna pusvadītāju materiāls, vispirms tika izveidoti Fizikāli tehniskajā institūtā, kas nosaukts V.I. A.F. Ioffe 1969. gadā. Šādās saules baterijās efektivitātes vērtības> 25% tiek sasniegtas koncentrācijas līmenī līdz 1000 reizēm. Neskatoties uz šādu elementu augstām izmaksām, to ieguldījums saražotās elektroenerģijas izmaksās nav izšķirošs augstās saules starojuma koncentrācijas pakāpēs, jo to platība ievērojami (līdz 1000 reizēm) samazinās. Situācija, kad fotoelementu izmaksas būtiski neietekmē saules elektrostacijas kopējās izmaksas, attaisno fotoelementa sarežģījumus un sadārdzināšanos, ja tas nodrošina efektivitātes pieaugumu. Tas izskaidro uzmanību, kas patlaban tiek pievērsta kaskādes saules bateriju attīstībai, kas var ievērojami palielināt efektivitāti. Kaskādes saules baterijā saules spektrs ir sadalīts divās (vai vairākās) daļās, piemēram, redzamās un infrasarkanās, no kurām katra tiek pārveidota, izmantojot fotoelementus, kas izgatavoti, pamatojoties uz dažādiem materiāliem. Šajā gadījumā tiek samazināti saules starojuma kvantu enerģijas zudumi. Piemēram, divu elementu posmos efektivitātes teorētiskā vērtība pārsniedz 40%.
