Solarni fotoelektrični pretvorniki. Načelo delovanja solarne baterije: kako je solarna plošča urejena in deluje
sončna energija- usmeritev netradicionalne energije, ki temelji na neposredni uporabi sončnega sevanja za pridobivanje energije v kakršni koli obliki. Sončna energija uporablja neizčrpen vir energije in je okolju prijazna, torej ne proizvaja škodljivih odpadkov. Proizvodnja energije iz sončnih elektrarn se dobro ujema s konceptom porazdeljene proizvodnje energije.
fotovoltaika- metoda pridobivanja električne energije z uporabo fotoobčutljivih elementov za pretvorbo sončne energije v električno.
sončna toplotna energija- eden od načinov praktične uporabe obnovljivega vira energije - sončna energija, ki se uporablja za pretvorbo sončnega sevanja v toploto vode ali tekočega toplotnega nosilca z nizkim vreliščem. Sončna toplotna energija se uporablja tako za industrijsko proizvodnjo električne energije kot za ogrevanje vode za domačo uporabo.
Sončna baterija- gospodinjski izraz, ki se uporablja v pogovornem govoru ali neznanstvenem tisku. Običajno se izraz "sončna baterija" ali "sončna plošča" nanaša na več kombiniranih fotovoltaičnih pretvornikov (fotocelic) - polprevodniških naprav, ki neposredno pretvarjajo sončno energijo v enosmerni električni tok.
Izraz "fotovoltaika" pomeni običajen način delovanja fotodiode, pri katerem električni tok nastaja izključno zaradi pretvorjene svetlobne energije. Pravzaprav so vse fotovoltaične naprave sorte fotodiod.
Fotoelektrični pretvorniki (PVC)
V fotovoltaičnih sistemih se pretvorba sončne energije v električno energijo izvaja v fotovoltaičnih pretvornikih (PVC). Glede na material, obliko in način izdelave je običajno razlikovati tri generacije sončnih celic:
FEP prve generacije na osnovi kristaliničnih silicijevih rezin;
sončne celice druge generacije na osnovi tankih filmov;
FEP tretje generacije na osnovi organskih in anorganskih materialov.
Za povečanje učinkovitosti pretvorbe sončne energije se razvijajo sončne celice na osnovi kaskadnih večplastnih struktur.
FEP prve generacije
Trenutno so najbolj razširjene sončne celice prve generacije na osnovi kristalnih rezin. Proizvajalcem je v zadnjih dveh letih uspelo znižati stroške proizvodnje tovrstnih sončnih celic, kar je zagotovilo krepitev njihovih položajev na svetovnem trgu.
Vrste sončnih celic prve generacije:
monokristalni silicij (mc-Si),
polikristalni silicij (m-Si),
na osnovi GaAs,
tehnologije trakov (EFG, S-web),
tankoslojni polisilicij (Apex).
FEP druge generacije
Tehnologija proizvodnje tankoslojnih sončnih celic druge generacije vključuje nanašanje plasti z vakuumsko metodo. Vakuumska tehnologija je v primerjavi s tehnologijo za proizvodnjo kristalnih sončnih celic manj energetsko intenzivna, zanjo pa je značilen tudi manjši obseg kapitalskih naložb. Omogoča izdelavo fleksibilnih poceni sončnih celic velike površine, vendar je pretvorbeni faktor takšnih elementov nižji v primerjavi s prvo generacijo sončnih celic.
Vrste sončnih celic druge generacije:
amorfni silicij (a-Si),
mikro- in nano-silicij (μc-Si/nc-Si),
silicij na steklu (CSG),
kadmijev telurid (CdTe),
(di)bakr-(indij-)galijev selenid (CI(G)S).
FEP tretje generacije
Ideja o ustvarjanju sončne celice tretje generacije je bila dodatno znižati stroške sončnih celic, opustiti uporabo dragih in strupenih materialov v korist poceni in recikliranih polimerov in elektrolitov. Pomembna razlika je tudi možnost nanašanja slojev po tiskarskih metodah.
Trenutno je večina projektov na področju sončnih celic tretje generacije v fazi raziskav.
Vrste sončnih celic tretje generacije:
fotosenzibilizirano barvilo (DSC),
organski (OPV),
anorganski (CTZSS).
Namestitev in uporaba
Sončne celice so sestavljene v module, ki imajo standardizirane vgradne dimenzije, električne parametre in kazalnike zanesljivosti. Za namestitev in prenos električne energije so solarni moduli opremljeni s tokovnimi pretvorniki, baterijami in drugimi elementi električnega in mehanskega podsistema.
Glede na področje uporabe se razlikujejo naslednje vrste instalacij solarnih sistemov:
zasebne postaje nizke moči, nameščene na strehah hiš;
komercialne postaje male in srednje moči, ki se nahajajo tako na strehah kot na tleh;
industrijske sončne postaje, ki zagotavljajo energijo številnim porabnikom.
Največje vrednosti učinkovitosti fotocelic in modulov, dosežene v laboratorijskih pogojih
Dejavniki, ki vplivajo na učinkovitost sončnih celic
Iz obratovalne lastnosti fotovoltaične plošče je razvidno, da je za dosego največje učinkovitosti potrebna pravilna izbira obremenitvene odpornosti. V ta namen fotovoltaične plošče ne priključimo neposredno na obremenitev, temveč uporabljamo krmilnik za upravljanje fotovoltaičnega sistema, ki zagotavlja optimalno delovanje panelov.
Proizvodnja
Zelo pogosto posamezne fotocelice ne proizvedejo dovolj moči. Zato se določeno število fotovoltaičnih celic združi v tako imenovane fotovoltaične solarne module in med steklene plošče vgradi ojačitev. Ta sklop je lahko popolnoma avtomatiziran.
Prednosti
Javna dostopnost in neizčrpnost vira.
Varno za okolje – čeprav obstaja možnost, da lahko široka uvedba sončne energije spremeni albedo (značilnost odbojne (razpršene) sposobnosti) zemeljske površine in povzroči podnebne spremembe (vendar ob sedanji ravni porabe energije , to je zelo malo verjetno).
Pomanjkljivosti
Odvisno od vremena in časa dneva.
Potreba po skladiščenju energije.
V industrijski proizvodnji - potreba po podvajanju sončnih elektrarn z manevrirnimi elektrarnami primerljive moči.
Visoki stroški gradnje, povezani z uporabo redkih elementov (na primer indija in telurja).
Potreba po občasnem čiščenju odsevne površine pred prahom.
Ogrevanje ozračja nad elektrarno.
Učinkovitost pretvorbe je odvisna od električnih lastnosti nehomogene polprevodniške strukture, pa tudi od optičnih lastnosti sončne celice, med katerimi ima fotoprevodnost najpomembnejšo vlogo. To je posledica pojava notranjega fotoelektričnega učinka v polprevodnikih, ko so obsevani s sončno svetlobo.
Glavne nepopravljive izgube energije v sončnih celicah so povezane z:
odboj sončnega sevanja od površine pretvornika,
prehod dela sevanja skozi sončno celico brez absorpcije v njej,
sipanje na toplotne vibracije mreže presežne energije fotonov,
rekombinacija nastalih fotoparov na površinah in v volumnu sončne celice,
notranji upor pretvornika itd.
Fotoelektrični način pretvorbe sončne energije v električno energijo temelji na pojavu fotoelektričnega učinka – sproščanju prevodnih elektronov v sprejemniku sevanja pod vplivom kvantov sončnega sevanja.
Ta učinek se uporablja v polprevodniških materialih, v katerih je energija kvantov sevanja hn ustvarja npr. str–n-prehodni fototok
I f=eN e,
kje N e- število elektronov, ki ustvarjajo potencialno razliko na stičišču, zaradi česar bo uhajalni tok na stičišču tekel v nasprotni smeri jaz, enako fototoku, ki je konstanten.
Izgube energije pri fotoelektrični pretvorbi so posledica nepopolne uporabe fotonov, pa tudi sipanja, upora in rekombinacije prevodnih elektronov, ki so že nastali.
Najpogostejša od komercialno dostopnih sončnih celic (fotocelic) so lamelne silikonske celice. Obstajajo tudi druge vrste in modeli, ki se razvijajo za povečanje učinkovitosti in znižanje stroškov sončnih celic.
Debelina sončne celice je odvisna od njene sposobnosti absorbiranja sončnega sevanja. Polprevodniški materiali, kot so silicij, galijev arzenid ipd., se uporabljajo, ker začnejo absorbirati sončno sevanje z dovolj dolgo valovno dolžino in lahko njegov pomemben delež pretvorijo v elektriko. Absorpcija sončnega sevanja različnih polprevodniških materialov doseže največjo vrednost, ko je debelina plošče od 100 do 1 µm ali manj.
Zmanjšanje debeline sončne celice lahko znatno zmanjša porabo materialov in stroške njihove izdelave.
Razlike v absorpcijski sposobnosti polprevodniških materialov pojasnjujejo razlike v njihovi atomski strukturi.
Učinkovitost pretvorbe sončne energije v električno ni visoka. Za elemente silicija ne več kot 12...14%.
Za povečanje učinkovitosti sončnih celic se na sprednjo stran sončne celice nanesejo antirefleksni premazi. Posledično se poveča delež prenesenega sončnega sevanja. Neprevlečeni elementi imajo odbojne izgube do 30%.
V zadnjem času se za izdelavo sončnih celic uporabljajo številni novi materiali. Eden izmed njih je amorfni silicij, ki za razliko od kristalnega silicija nima pravilne strukture. Za amorfno strukturo je verjetnost absorpcije fotonov in prehoda v prevodni pas večja. Zato ima veliko absorpcijsko sposobnost. Uporablja se tudi galijev arzenid (GaAs). Teoretična učinkovitost celic na osnovi GaAs lahko doseže 25%, prave celice imajo učinkovitost približno 16%.
Razvija se tehnologija tankoslojnih sončnih celic. Kljub dejstvu, da učinkovitost teh elementov v laboratorijskih pogojih ne presega 16%, imajo nižje stroške. To je še posebej dragoceno za zmanjšanje stroškov in porabe materiala v množični proizvodnji. V ZDA in na Japonskem so tankoplastni elementi izdelani na amorfnem siliciju s površino 0,1 ... 0,4 m 2 z izkoristkom 8 ... 9%. Najpogostejše tankoslojne sončne celice so celice kadmijevega sulfida (CdS) z izkoristkom 10 %.
Še en napredek v tehnologiji tankoslojnih sončnih celic je bila proizvodnja večplastnih celic. Omogočajo vam, da pokrijete velik del spektra sončnega sevanja.
Aktivni material sončne celice je precej drag. Za učinkovitejšo uporabo se sončno sevanje zbira na površini sončne celice s pomočjo koncentrirajočih sistemov (slika 2.7).
S povečanjem pretoka sevanja se lastnosti elementa ne poslabšajo, če se njegova temperatura vzdržuje na ravni temperature zunanjega zraka z aktivnim ali pasivnim hlajenjem.
Obstaja veliko število sistemov za koncentracijo, ki temeljijo na lečah (običajno ploske Fresnelove leče), zrcalih, totalnih notranjih odbojnih prizmah itd. Če je obsevanost fotocelic ali modulov zelo neenakomerna, lahko to privede do uničenja sončne celice.
Uporaba koncentracijskih sistemov znižuje stroške sončnih elektrarn, saj so koncentracijske celice cenejše od sončnih.
Ker so cene sončnih celic padale, se je pojavila možnost izgradnje obsežnih fotovoltaičnih inštalacij. Do leta 1984 je bilo v ZDA, Italiji, na Japonskem, v Savdski Arabiji in Nemčiji zgrajenih 14 relativno velikih sončnih elektrarn z močjo od 200 kW do 7 MW.
Solarna fotovoltaična namestitev ima številne prednosti. Uporablja čist in neizčrpen vir energije, nima gibljivih delov in zato ne zahteva stalnega nadzora s strani vzdrževalca. Sončne celice se lahko množično proizvajajo, kar bo zmanjšalo njihove stroške.
Solarni paneli so sestavljeni iz solarnih modulov. Vendar pa obstaja velika izbira tipov in velikosti teh naprav z enako učinkovitostjo pretvorbe energije in enako proizvodno tehnologijo.
Ker je dobava sončne energije periodična, je fotovoltaične sisteme najbolj smiselno vključiti v hibridne elektrarne, ki uporabljajo tako sončno energijo kot zemeljski plin. Na teh postajah se lahko uporablja nova generacija plinskih turbin. Hibridne male elektrarne, ki jih sestavljajo fotovoltaični paneli in dizelski generatorji, so že zanesljivi ponudniki energije.
Konec dela -
Ta tema spada v:
Katedra za industrijsko toplotno tehniko.. zapiski predavanj o tečaju Nivie Gribanov a i .. besedilo je bilo natisnjeno..
Če potrebujete dodatno gradivo na to temo ali niste našli tistega, kar ste iskali, priporočamo uporabo iskanja v naši bazi del:
Kaj bomo naredili s prejetim materialom:
Če se je to gradivo izkazalo za koristno za vas, ga lahko shranite na svojo stran na družbenih omrežjih:
| tweet |
Vse teme v tem razdelku:
Energetski viri planeta
Energetski viri so materialni predmeti, v katerih je koncentrirana energija. Energijo lahko pogojno razdelimo na vrste: kemično, mehansko, toplotno, električno itd. Do glavnih energetskih virov iz
Možnosti uporabe energetskih virov
Energija fuzije Fuzijska energija je energija fuzije helija iz devterija. Deuterij je atom vodika, katerega jedro je sestavljeno iz enega protona in enega nevtrona.
Energetski viri Rusije
Rusija ima ogromne zaloge energetskih virov in zlasti premoga. Teoretični potencial so rezerve goriva, ki niso posebej preverjene. Tehnični potencial
Pridobivanje energije v termoelektrarnah
Tako kot v večini držav sveta se tudi v Rusiji večina električne energije proizvede v TE, ki kurijo fosilna goriva. Termoelektrarne kot gorivo uporabljajo trdna, tekoča in plinasta goriva.
Spremenljiv urnik porabe energije
Čez dan poraba električne energije ni enaka. V času konic se močno poveča, ponoči pa se znatno zmanjša. Zato mora imeti elektroenergetski sistem osnovne zmogljivosti, ki delujejo
Težave s prenosom električne energije
Prenos električne energije na dolge razdalje je povezan z izgubami v daljnovodih. Izguba električne energije je enaka zmnožku jakosti toka in el. upor žice. žično mo
Plinske turbine in naprave s kombiniranim ciklom (GTU in CCGT)
Trenutno so plinske turbine in naprave s kombiniranim ciklom najbolj obetavne med vsemi napravami za proizvodnjo toplotne in električne energije. Uporaba teh naprav v mnogih državah po svetu
Magnetohidrodinamične instalacije (MGDU)
Obetavna je tudi uporaba elektrarn na magnetohidrodinamičnem generatorju. Cikel MGDU je enak GTP, to je adiabatsko stiskanje in ekspanzija delovne tekočine, izobarični dovod
gorivnih celic
Trenutno se gorivne celice uporabljajo za proizvodnjo električne energije za proizvodnjo električne energije. Ti elementi pretvarjajo energijo kemičnih reakcij v električno energijo. kemični
Toplotne črpalke
TN se imenujejo naprave, ki delujejo po reverznem termodinamičnem ciklu in so zasnovane za prenos toplote iz vira energije z nizkim potencialom na vir z visokim potencialom. Drugi zakon
Mesto male proizvodnje električne energije v energetskem sektorju Rusije
Netradicionalni viri energije vključujejo male hidroelektrarne, dizelske elektrarne, plinsko batne elektrarne in male jedrske elektrarne. Porok za zanesljivo oskrbo z električno energijo, toploto
Plinske turbine in parno-plinske male elektrarne
Plinskoturbinske elektrarne nizke moči so kompaktne enote, izdelane po principu blok-kontejner. Komponente GTPP omogočajo proizvodnjo ne le električne energije, ampak tudi
Mini SPTE
Trenutno je povečano zanimanje za soproizvodnjo toplote in električne energije z majhnimi napravami, ki uporabljajo majhne naprave z močjo od nekaj deset kW do več
Dizelske elektrarne
V nekaterih težko dostopnih regijah Rusije, kjer je nedonosna gradnja daljnovodov, se za oskrbo prebivalstva teh regij z energijo uporabljajo bencinske in dizelske elektrarne. V regijah skrajnega severa je število
Elektrarne s plinskim batom
Ker cene dizelskega goriva nenehno rastejo, uporaba dizelskih elektrarn na dizelsko gorivo postaja draga, zato je zdaj v svetu veliko zanimanja
Male hibridne elektrarne
Za izboljšanje zanesljivosti in učinkovitosti napajalnih sistemov je potrebna izdelava večnamenskih energetskih kompleksov (IEC). Prav tako je mogoče ustvariti komplekse na podlagi majhnih hibridnih elektrarn.
Male jedrske elektrarne
V zadnjem času se kaže precejšnje zanimanje za jedrske elektrarne majhne zmogljivosti. To so modularne postaje, ki vam omogočajo poenotenje opreme in avtonomno delo. Takšne postaje so lahko zanesljive
Mala hidroelektrarna
Kitajska je vodilna v razvoju malih hidroelektrarn. Zmogljivost malih hidroelektrarn (MHE) na Kitajskem presega 20.000 MW. V Indiji instalirana moč MHE presega 200 MW. Razširjena MHE
Glavni neobnovljivi viri energije bodo prej ali slej izčrpani. Zdaj približno 80 % porabe energije na planetu zagotavljajo fosilna goriva. S to uporabo ekološko
hidroelektrarna
Hidroelektrarna kot vir energije uporablja energijo vodnega toka. Hidroelektrarne gradijo na rekah, gradijo jezove in rezervoarje. Za učinkovito proizvodnjo energije v hidroelektrarnah sta potrebna 2 glavna dejavnika
sončna energija
Sončna energija je posledica reakcije jedrske fuzije lahkih elementov devterija, tritija in helija, ki jih spremlja ogromna količina energije. Vir vse energije razen t
Pretvorba sončne energije v toplotno energijo
Sončno energijo je mogoče pretvoriti v toplotno s pomočjo kolektorja. Vsi sončni kolektorji imajo površinski ali nasipni hladilno telo. Toploto je mogoče odstraniti iz zbiralnika ali shraniti
Termodinamična pretvorba sončne energije v električno energijo
Metode za termodinamično pretvorbo sončne energije v električno energijo temeljijo na ciklih toplotnih motorjev. Sončna energija se v sončnih elektrarnah pretvarja v električno energijo (
Možnosti razvoja sončne energije v Rusiji
Leta 1985 je v vasi Shchelkino v Krimski regiji začela obratovati prva v ZSSR sončna elektrarna SES-5 z električno močjo 5 MW. 1600 heliostatov (ploska zrna
Značilnosti uporabe vetrne energije
Glavni razlog za nastanek vetra je neenakomerno segrevanje zemeljske površine s soncem. Energija vetra je zelo visoka. Po podatkih Svetovne meteorološke organizacije zaloge energije vetra
Proizvodnja električne energije z vetrnimi turbinami
Uporaba vetrnih turbin za proizvodnjo električne energije je najučinkovitejši način za pretvorbo vetrne energije. Pri načrtovanju vetrnih turbin je treba upoštevati njihove naslednje značilnosti
Vetrna energija v Rusiji
Energetski vetrni potencial Rusije je ocenjen na 40 milijard kW. ur električne energije na leto, torej približno 20.000 MW. VE z močjo 1 MW pri povprečni letni hitrosti vetra 6 m/s prihrani 1
Izvor geotermalne energije
V jedru Zemlje temperatura doseže 4000 °C. Sprostitev toplote skozi trdne kamnine kopnega in oceanskega dna se pojavi predvsem zaradi toplotne prevodnosti in manj pogosto - v obliki konvektivnih tokov staljenega
Tehnika pridobivanja geotermalne toplote
Geotermalne vire energije lahko razdelimo na pet vrst. 1. Viri geotermalne suhe pare. So precej redki, vendar najbolj priročni za gradnjo GeoTPP. 2. Vir
Elektrika
Pretvorba geotermalne energije v električno se izvaja na podlagi uporabe strojne metode s termodinamičnim ciklom v GeoTPP. Za gradnjo GeoTPP, ki se najbolj uporablja
Pomembnejši je obseg uporabe geotermalne toplote za ogrevanje in oskrbo s toplo vodo. Glede na kakovost in temperaturo termalne vode obstajajo različne geotermalne sheme.
Vpliv geotermalne energije na okolje
Glavni vpliv GeoTPP na okolje je povezan z razvojem polja, gradnjo stavb in parovodov. Da bi GeoTPP zagotovili potrebno količino pare ali tople vode,
Geotermalna energija v Rusiji
V Rusiji je bilo raziskanih 47 geotermalnih nahajališč z zalogami termalne vode, ki omogočajo pridobivanje več kot 240 × 103 m3 / dan. termalne vode in parne hidrotermalne
Vzroki za vročine
Plima in oseka so posledica gravitacijske interakcije Zemlje z Luno in Soncem. Plimna sila Lune na določeni točki zemeljskega površja je opredeljena kot razlika med lokalno vrednostjo privlačne sile
Plimske elektrarne (TE)
Vodo, ki se ob plimi dvigne na največjo višino, je mogoče ločiti od morja z jezom. Rezultat je plimovanje. Največja moč, ki jo je mogoče pridobiti s prehodom
Vpliv PES na okolje
Morebitni vpliv plimskih elektrarn na okolje je mogoče povezati s povečanjem amplitude plimovanja na oceanski strani jezu. To lahko privede do poplavljanja zemljišč in zgrajenih
Energija plimovanja v Rusiji
V Rusiji je uporaba energije plimovanja v obalnih območjih morja Arktičnega in Tihega oceana povezana z velikimi kapitalskimi naložbami. Prva v naši državi Kislogubskaya TPP moč
Energija valovanja
Iz morskih valov lahko dobite ogromno energije. Moč, ki jo prenašajo valovi v globoki vodi, je sorazmerna s kvadratom njihove amplitude in obdobja. Največje zanimanje so dolgi
Energija oceanskih tokov
Celotno vodno območje Svetovnega oceana prečkajo površinski in globoki tokovi. Zaloga kinetične energije teh tokov je približno 7,2∙1012 kW∙h/leto. Ta energija s
Viri toplotne energije oceana
Oceani so naravni akumulator sončne energije. V tropskih morjih ima zgornja plast vode, debela nekaj metrov, temperaturo 25 ... 30 ° C. Na globini 1000 m je temperatura vode
Oceanske termoelektrarne
Predlaganih je več vrst naprav za pretvorbo energije temperaturne razlike v oceanu. Najbolj zanimiva je pretvorba toplotne energije v električno energijo s pomočjo termodina
Viri biomase
Izraz "biomasa" se nanaša na organsko snov rastlinskega ali živalskega izvora, ki se lahko uporablja za proizvodnjo energije ali tehnično primernih goriv z
Termokemična pretvorba biomase (zgorevanje, piroliza, uplinjanje)
Eno glavnih področij recikliranja lesnih odpadkov je njihova uporaba za proizvodnjo toplote in električne energije. Glavne tehnologije za pridobivanje energije iz lesnih odpadkov so
Biotehnološka pretvorba biomase
Pri biotehnološki pretvorbi se uporabljajo različni organski odpadki z najmanj 75-odstotno vsebnostjo vlage. Biološka pretvorba biomase se razvija v dveh glavnih smereh: 1) kmetija
Okoljski problemi bioenergije
Bioenergetske instalacije pomagajo zmanjšati onesnaževanje okolja z vsemi vrstami odpadkov. Anaerobna fermentacija ni le učinkovito sredstvo za uporabo živalskih odpadkov
Značilnosti trdnih komunalnih odpadkov (MSW)
Na mestnih odlagališčih se letno nabere na stotine tisoč ton gospodinjskih odpadkov. Specifična letna proizvodnja komunalnih odpadkov na prebivalca sodobnega mesta je 250...700 kg. V razvitih državah je ta vrednost e
Recikliranje odpadkov na odlagališčih
Trenutno se trdni komunalni odpadki običajno odpeljejo na odlagališča v pričakovanju njihove naknadne mineralizacije. Zaželeno je, da se MSW pred pokopom stisne. To ne samo zmanjša
Kompostiranje komunalnih odpadkov
Druga smer odstranjevanja komunalnih odpadkov je predelava v organsko gnojilo (kompost). Kompostira se lahko do 60 % celotne mase gospodinjskih odpadkov. Postopek kompostiranja poteka v rotaciji.
Sežiganje komunalnih odpadkov v posebnih sežigalnicah odpadkov
V gospodarsko razvitih državah se vse več odpadkov industrijsko predela. Najučinkovitejši med njimi je toplotni. Omogoča vam, da zmanjšate količino odpadkov za skoraj 10-krat
Vrste fotoelektričnih pretvornikov
Z energetskega vidika so energetsko najbolj učinkovite naprave za pretvorbo sončne energije v električno energijo (ker gre za neposreden, enostopenjski energetski prehod) polprevodniški fotoelektrični pretvorniki (PVC). Pri ravnotežni temperaturi, značilni za sončne celice reda 300–350 Kelvinov in T sonca ~ 6000 K, je njihova mejna teoretična učinkovitost >90 %. To pomeni, da je zaradi optimizacije strukture in parametrov pretvornika, katerega cilj je zmanjšati nepopravljive izgube energije, praktično učinkovitost dvigniti na 50% ali več (v laboratorijih je učinkovitost že dosegla 40%). doseženo).
Teoretične raziskave in praktični razvoj na področju fotoelektrične pretvorbe sončne energije so potrdili možnost doseganja tako visokih vrednosti učinkovitosti s sončnimi celicami in opredelili glavne načine za dosego tega cilja.
Pretvorba energije v sončnih celicah temelji na fotovoltaičnem učinku, ki se pojavi v nehomogenih polprevodniških strukturah, ko so izpostavljeni sončnemu sevanju. Heterogenost strukture FEP lahko dosežemo z dopiranjem istega polprevodnika z različnimi nečistočami (ustvarjanje pn stičišč) ali z združevanjem različnih polprevodnikov z različno pasovno vrzeljo - energijo ločitve elektrona od atoma (ustvarjanje heterostičišč) ali z spreminjanje kemične sestave polprevodnika, kar vodi do pojava gradienta pasovne vrzeli (ustvarjanje struktur z razmikom). Možne so tudi različne kombinacije teh metod. Učinkovitost pretvorbe je odvisna od električnih lastnosti nehomogene polprevodniške strukture, pa tudi od optičnih lastnosti sončnih celic, med katerimi ima najpomembnejšo vlogo fotoprevodnost, zaradi pojavov notranjega fotoelektričnega učinka v polprevodnikih, ko so obsevani. s sončno svetlobo. Načelo delovanja sončne celice je mogoče razložiti s primerom pretvornikov s p-n-stičem, ki se pogosto uporabljajo v sodobni sončni in vesoljski energiji. Prehod elektron-luknja nastane z dopiranjem plošče iz monokristalnega polprevodniškega materiala z določeno vrsto prevodnosti (tj. bodisi p- ali n-tipom) z nečistočo, ki zagotavlja ustvarjanje površinske plasti z nasprotno vrsto prevodnosti.
Koncentracija dopanta v tej plasti mora biti bistveno višja od koncentracije dopanta v osnovnem (izvirnem monokristalnem) materialu, da nevtraliziramo tam prisotne glavne proste nosilce naboja in ustvarimo prevodnost nasprotnega predznaka. Na meji n- in p-plasti se zaradi uhajanja naboja tvorijo osiromašene cone z nekompenziranim pozitivnim volumskim nabojem v n-sloju in negativnim volumskim nabojem v p-sloju. Te cone skupaj tvorijo p-n stičišče. Potencialna pregrada (kontaktna potencialna razlika), ki je nastala na stičišču, preprečuje prehod glavnih nosilcev naboja, t.j. elektronov s strani p-sloja, vendar prosto prehajajo manjše nosilce v nasprotnih smereh. Ta lastnost p-n stičišč določa možnost pridobitve foto-emf pri obsevanju sončnih celic s sončno svetlobo. Neravnotežni nosilci naboja (pari elektron-luknja), ki jih ustvarja svetloba v obeh plasteh sončne celice, so ločeni na pn stičišču: manjši nosilci (tj. elektroni) prosto prehajajo skozi stičišče, glavni (luknje) pa zamujajo. . Tako bo pod vplivom sončnega sevanja skozi p-n spoj v obe smeri tekel tok neravnovesnih manjšinskih nosilcev naboja, fotoelektronov in fotolunk, kar je ravno tisto, kar je potrebno za delovanje sončne celice. Če zdaj zapremo zunanji tokokrog, se bodo elektroni iz n-plasti, ko so opravili delo na obremenitvi, vrnili v p-plast in se tam ponovno združili (združili) z luknjami, ki se premikajo znotraj FEP v nasprotni smeri. Za zbiranje in odstranjevanje elektronov v zunanje vezje je na površini polprevodniške strukture FEP kontaktni sistem. Na sprednji, osvetljeni površini pretvornika so kontakti izdelani v obliki mreže ali glavnika, na zadnji strani pa so lahko trdni.
Glavne nepopravljive izgube energije v sončnih celicah so povezane z:
- odboj sončnega sevanja od površine pretvornika,
- prehod dela sevanja skozi sončno celico brez absorpcije v njej,
- sipanje na toplotne vibracije mreže presežne energije fotonov,
- rekombinacija nastalih fotoparov na površinah in v volumnu sončne celice,
- notranji upor pretvornika,
- in nekateri drugi fizični procesi.
Za zmanjšanje vseh vrst izgub energije v sončnih celicah se razvijajo in uspešno uporabljajo različni ukrepi. Tej vključujejo:
- uporaba polprevodnikov z optimalno pasovno vrzeljo za sončno sevanje;
- ciljno izboljšanje lastnosti polprevodniške strukture z njenim optimalnim dopiranjem in ustvarjanjem vgrajenih električnih polj;
- prehod iz homogenih v heterogene polprevodniške strukture z razvrščenimi režami;
- optimizacija konstrukcijskih parametrov sončne celice (globina p-n-stičišča, debelina osnovnega sloja, frekvenca kontaktne mreže itd.);
- uporaba večnamenskih optičnih premazov, ki zagotavljajo antirefleks, toplotno kontrolo in zaščito sončnih celic pred kozmičnim sevanjem;
- razvoj sončnih celic, ki so transparentne v dolgovalovnem območju sončnega spektra onkraj roba glavnega absorpcijskega pasu;
- ustvarjanje kaskadnih sončnih celic iz polprevodnikov, posebej izbranih za širino pasovne vrzeli, ki omogočajo pretvorbo v vsaki kaskadi sevanja, ki je prešlo skozi prejšnjo kaskado itd.;
Znatno povečanje učinkovitosti sončnih celic je bilo doseženo tudi z ustvarjanjem pretvornikov z dvostransko občutljivostjo (do + 80% na že obstoječo učinkovitost ene strani), uporabo luminiscentnih re-oddajnih struktur, predhodno razgradnjo sončnega spektra v dve ali več spektralnih območij z uporabo večplastnih filmskih cepilnikov žarka (dihroična zrcala) z naknadno transformacijo vsakega dela spektra z ločeno sončno celico itd.
V sistemih za pretvorbo energije SES (sončne elektrarne) se načeloma lahko uporabljajo vse vrste sončnih celic različnih struktur, ki so ustvarjene in se trenutno razvijajo na podlagi različnih polprevodniških materialov, vendar vse ne izpolnjujejo nabora zahtev za te sisteme:
- visoka zanesljivost z dolgo življenjsko dobo (deset let!)
- razpoložljivost surovin v zadostnih količinah za izdelavo elementov pretvorbenega sistema in možnost organizacije njihove množične proizvodnje;
- sprejemljivi z vidika vračilne dobe, stroški energije za ustvarjanje transformacijskega sistema;
- minimalni stroški energije in mase, povezani z nadzorom sistema za pretvorbo in prenos energije (prostora), vključno z orientacijo in stabilizacijo postaje kot celote;
- enostavnost vzdrževanja.
Tako je na primer nekatere obetavne materiale težko dobiti v količinah, potrebnih za izdelavo sončne elektrarne, zaradi omejenih naravnih virov surovine in zapletenosti njene predelave. Ločene metode za izboljšanje energetskih in operativnih lastnosti sončnih celic, na primer z ustvarjanjem kompleksnih struktur, so slabo združljive z možnostmi organiziranja njihove množične proizvodnje po nizkih stroških itd. Visoko produktivnost je mogoče doseči le z organiziranjem popolnoma avtomatizirane proizvodnje sončnih celic, na primer na podlagi tehnologije trakov, in ustvarjanjem razvite mreže specializiranih podjetij ustreznega profila, t.j. pravzaprav celotna industrija, po obsegu sorazmerna s sodobno radioelektronsko industrijo. Proizvodnja sončnih celic in montaža sončnih baterij na avtomatiziranih linijah bo zmanjšala stroške baterijskega modula za 2-2,5-krat.
Silicij in galijev arzenid (GaAs) trenutno veljata za najverjetnejša materiala za fotovoltaične sisteme za pretvorbo sončne energije v SES, v slednjem primeru pa govorimo o heterofoto pretvornikih (HFP) s strukturo AlGaAs-GaAs.
Znano je, da imajo sončne celice (fotoelektrični pretvorniki) na osnovi arzen-galijevih (GaAs) spojin višjo teoretično učinkovitost kot silicijeve sončne celice, saj njihova pasovna vrzel praktično sovpada z optimalno pasovno vrzeljo za polprevodniške pretvornike sončne energije =1,4 eV. Za silicij je ta indikator \u003d 1,1 eV.
Zaradi višje stopnje absorpcije sončnega sevanja, ki je določena z neposrednimi optičnimi prehodi v GaAs, je mogoče doseči visok izkoristek sončnih celic na njihovi osnovi pri bistveno manjši debelini sončnih celic v primerjavi s silicijevi. Načeloma zadostuje debelina HFP 5–6 µm, da dosežemo učinkovitost vsaj 20 %, medtem ko debelina silikonskih elementov ne sme biti manjša od 50–100 µm brez opaznega zmanjšanja njihove učinkovitosti. Ta okoliščina omogoča računanje na ustvarjanje lahkih filmskih HFP, katerih proizvodnja zahteva relativno majhno količino izhodnega materiala, še posebej, če je mogoče uporabiti ne GaAs kot substrat, ampak drug material, na primer sintetični safir (Al2O3).
HFP imajo tudi ugodnejše lastnosti delovanja glede na zahteve za pretvornike SES v primerjavi s silicijevimi FEP. Tako zlasti možnost doseganja nizkih začetnih vrednosti povratnih nasičenih tokov v pn stičiščih zaradi velike pasovne vrzeli omogoča minimiziranje velikosti negativnih temperaturnih gradientov učinkovitosti in optimalne moči HFP in, poleg tega znatno razširite območje linearne odvisnosti slednjega od gostote svetlobnega toka . Eksperimentalne temperaturne odvisnosti učinkovitosti HFP kažejo, da povišanje ravnotežne temperature slednjega na 150–180 °C ne vodi do bistvenega zmanjšanja njihove učinkovitosti in optimalne specifične moči. Hkrati je za silicijeve sončne celice dvig temperature nad 60-70°C skoraj kritičen - učinkovitost pade za polovico.
Zaradi svoje odpornosti na visoke temperature sončne celice z galijevim arzenidom omogočajo uporabo koncentratorjev sončnega sevanja na njih. Delovna temperatura HFP na GaAs doseže 180 °C, kar je že precej delovna temperatura za toplotne motorje in parne turbine. Tako lahko k 30-odstotni inherentni učinkovitosti HFP galijevega arzenida (pri 150 °C) dodamo učinkovitost toplotnega motorja z uporabo odpadne toplote tekočine, ki hladi fotocelice. Zato je skupni izkoristek naprave, ki za ogrevanje prostorov uporablja tudi tretji cikel nizkotemperaturnega odvzema toplote iz hladilne tekočine po turbini, lahko celo višji od 50-60%.
Poleg tega so HFP na osnovi GaAs v veliko manjši meri kot silicijevi PVC podvrženi uničenju z visokoenergetskimi protonskimi in elektronskimi tokovi zaradi visoke stopnje absorpcije svetlobe v GaAs, pa tudi nizke zahtevane življenjske dobe in difuzijske dolžine manjšinskih prevoznikov. Poleg tega so poskusi pokazali, da pomemben del sevalnih napak v HFP na osnovi GaAs izgine po njihovi toplotni obdelavi (žarjenju) pri temperaturi le okoli 150–180 °C. Če GaAs HFP nenehno delujejo pri temperaturi okoli 150 °C, bo stopnja sevalne degradacije njihove učinkovitosti razmeroma majhna skozi celotno obdobje aktivnega delovanja postaj (to še posebej velja za vesoljske sončne elektrarne, za katere je svetloba teža in velikost sončnih celic ter visoka učinkovitost sta pomembna).
Na splošno lahko sklepamo, da so energijske, masne in operativne značilnosti HFP na osnovi GaAs bolj v skladu z zahtevami SES in SCES (kozmični) kot značilnosti silicijevih PVC. Vendar je silicij veliko bolj dostopen in obvladan material kot galijev arzenid. Silicij je v naravi zelo razširjen, zaloge surovin za izdelavo sončnih celic na njegovi osnovi pa so praktično neomejene. Tehnologija izdelave silicijevih sončnih celic je dobro uveljavljena in se nenehno izboljšuje. Obstaja resnična možnost za znižanje stroškov silicijevih sončnih celic za en ali dva reda velikosti z uvedbo novih avtomatiziranih proizvodnih metod, ki omogočajo zlasti pridobivanje silikonskih trakov, sončnih celic velike površine itd.
Cene silicijevih fotovoltaičnih baterij so se v 25 letih znižale za 20-30-krat s 70-100 dolarjev/vat v sedemdesetih na 3,5 dolarja/vat leta 2000 in še naprej upadajo. Na Zahodu se v energetskem sektorju pričakuje revolucija v trenutku, ko cena preseže mejnik 3 dolarje. Po nekaterih izračunih se to lahko zgodi že leta 2002, za Rusijo s trenutnimi energetskimi tarifami pa bo ta trenutek prišel po ceni 1 W SB 0,3-0,5 dolarja, torej po zaporedju nižji ceni. Tu igrajo vlogo vse skupaj: tarife, podnebje, geografske širine, sposobnost države za realno oblikovanje cen in dolgoročne naložbe. V dejansko delujočih strukturah s heterostiki učinkovitost danes doseže več kot 30 %, v homogenih polprevodnikih, kot je monokristalni silicij, pa do 18 %. Povprečna učinkovitost sončnih celic na osnovi monokristalnega silicija je danes približno 12 %, čeprav doseže 18 %. V bistvu gre za silikonske SB, ki jih je danes mogoče videti na strehah hiš v različnih državah sveta.
V nasprotju s silicijem je galij zelo redek material, kar omejuje možnost proizvodnje HFP na osnovi GaAs v količinah, potrebnih za široko uporabo.
Galij se pridobiva predvsem iz boksitov, razmišlja pa se tudi o možnosti pridobivanja iz premogovega pepela in morske vode. Največje zaloge galija se nahajajo v morski vodi, vendar je njegova koncentracija tam zelo nizka, izkoristek ekstrakcije je ocenjen na le 1 %, zato bodo proizvodni stroški verjetno previsoki. Tehnologija proizvodnje HFP na osnovi GaAs z metodami tekoče in plinaste epitaksije (usmerjena rast enega kristala na površini drugega (na substratu)) ni bila razvita v enaki meri kot tehnologija za proizvodnjo silicija. PVC in posledično so stroški HFP zdaj bistveno višji (po naročilih) od stroškov sončne celice iz silicija.
V vesoljskih plovilih, kjer so glavni vir toka sončne celice in kjer so zelo pomembna razumljiva razmerja mase, velikosti in učinkovitosti, je glavni material za sončne celice. baterija je seveda galijev arzenid. Sposobnost te spojine v sončnih celicah, da ne izgubi učinkovitosti pri segrevanju s 3-5 krat koncentriranim sončnim sevanjem, je zelo pomembna za vesoljske sončne elektrarne, kar posledično zmanjšuje potrebo po pomanjkanju galija. Dodatna rezerva za varčevanje galija je povezana z uporabo sintetičnega safirja (Al2O3) namesto GaAs kot substrata HFP.
Stroški HFP-jev, ki se množično proizvajajo na podlagi napredne tehnologije, se bodo verjetno znatno zmanjšali, na splošno pa so lahko stroški sistema pretvorbe sistema za pretvorbo energije GaAs HFP sončnih elektrarn precej sorazmerni s stroški sistem na osnovi silicija. Tako je trenutno težko popolnoma dati prednost enemu od dveh obravnavanih polprevodniških materialov - silicij ali galijev arzenid, in šele nadaljnji razvoj njihove proizvodne tehnologije bo pokazal, katera možnost bo bolj racionalna za zemeljske in vesoljske. sončna energija. V kolikor SB-ji proizvajajo enosmerni tok, se pojavi naloga preoblikovanja le-tega v industrijsko spremenljivko 50 Hz, 220 V. S to nalogo se odlično obnese poseben razred naprav, inverterji.
Izračun fotovoltaičnega sistema.
Energijo sončnih celic lahko uporabljate na enak način kot energijo drugih virov energije, s to razliko, da se sončne celice ne bojijo kratkih stikov. Vsak od njih je zasnovan tako, da vzdržuje določeno jakost toka pri določeni napetosti. Toda za razliko od drugih tokovnih virov so značilnosti sončne celice odvisne od količine svetlobe, ki pade na njeno površino. Na primer, dohodni oblak lahko zmanjša izhodno moč za več kot 50%. Poleg tega odstopanja v tehnoloških režimih povzročijo razpršitev izhodnih parametrov elementov ene serije. Zato želja po čim večjem izkoristku fotovoltaičnih pretvornikov vodi v potrebo po razvrščanju celic po izhodnem toku. Kot ilustrativen primer "unišne ovce, ki pokvari celotno čredo", je mogoče navesti naslednje: prerežite odsek cevi z veliko manjšim premerom v prelom v vodovodni cevi velikega premera, posledično se pretok vode se bo drastično zmanjšalo. Nekaj podobnega se zgodi v verigi neenakomernih izhodnih parametrov sončnih celic.
Silicijeve sončne celice so nelinearne naprave in njihovega obnašanja ni mogoče opisati s preprosto formulo, kot je Ohmov zakon. Namesto tega lahko za razlago značilnosti elementa uporabite družino enostavno razumljivih krivulj - tokovno-napetostne karakteristike (CVC)
Napetost odprtega tokokroga, ki jo ustvari en element, se pri premikanju od enega elementa do drugega v eni seriji in od enega proizvajalca do drugega nekoliko spremeni in je približno 0,6 V. Ta vrednost ni odvisna od velikosti elementa. Pri trenutnem je situacija drugačna. Odvisno je od jakosti svetlobe in velikosti elementa, ki se nanaša na njegovo površino.
Element z velikostjo 100 100 mm je 100-krat večji od elementa z velikostjo 10 10 mm in bo zato pri enaki osvetlitvi oddajal 100-krat večji tok.
Z nalaganjem elementa lahko narišete odvisnost izhodne moči od napetosti in dobite nekaj podobnega kot je prikazano na sliki 2
Največja moč ustreza napetosti približno 0,47 V. Za pravilno oceno kakovosti sončne celice in primerjavo celic med seboj pod enakimi pogoji je potrebno le-to obremeniti tako, da izhodna napetost je 0,47 V. Ko so solarni elementi izbrani za delo, jih je potrebno spajkati. Serijski elementi so opremljeni s tokovnimi mrežami, ki so zasnovane za spajkanje vodnikov nanje.
Baterije lahko izdelamo v poljubni kombinaciji. Najenostavnejša baterija je veriga serijsko povezanih celic. Verige lahko povežete tudi vzporedno, tako da dobite tako imenovano serijsko-vzporedno povezavo.
Pomembna točka pri delovanju sončnih celic je njihov temperaturni režim. Ko se element segreje za eno stopinjo nad 25 °C, izgubi 0,002 V napetosti, t.j. 0,4 %/stopnjo. Slika 3 prikazuje družino krivulj CVC za temperature 25°C in 60°C.
Na svetel sončen dan se elementi segrejejo na 60-70 ° C in izgubijo 0,07-0,09 V. To je glavni razlog za zmanjšanje učinkovitosti sončnih celic, kar vodi do padca napetosti, ki jo ustvari celica. Učinkovitost običajne sončne celice se trenutno giblje med 10-16%. To pomeni, da lahko element z velikostjo 100-100 mm v standardnih pogojih ustvari 1-1,6 vatov.
Vse fotovoltaične sisteme lahko razdelimo na dve vrsti: avtonomne in priključene na električno omrežje. Postaje drugega tipa prenašajo presežek energije v omrežje, ki služi kot rezerva v primeru notranjega pomanjkanja energije.
Avtonomni sistem je praviloma sestavljen iz niza solarnih modulov, nameščenih na nosilno konstrukcijo ali na strehi, baterije, regulatorja praznjenja - polnjenje baterije in povezovalnih kablov. Solarni moduli so glavna komponenta za gradnjo fotovoltaičnih sistemov. Izdelane so lahko s katero koli izhodno napetostjo.
Ko so sončne celice izbrane, jih je treba spajkati. Serijski elementi so opremljeni s tokovnimi mrežami za spajkanje vodnikov nanje. Baterije lahko izdelamo v poljubni kombinaciji.
Najenostavnejša baterija je veriga serijsko povezanih celic.
Te verige lahko povežete vzporedno, tako da dobite tako imenovano serijsko-vzporedno povezavo. Vzporedno se lahko povežejo samo verige (vodi) z enako napetostjo, njihovi tokovi pa se po Kirchhoffovem zakonu seštejejo.
Pri uporabi na tleh se običajno uporabljajo za polnjenje polnilnih baterij (baterij) z nazivno napetostjo 12 V. V tem primeru je praviloma 36 sončnih celic povezanih zaporedno in zatesnjenih z laminacijo na steklo, tekstolit, aluminij. . V tem primeru so elementi nameščeni med dvema slojema tesnilnega filma, brez zračne reže. Tehnologija vakuumskega laminiranja izpolnjuje to zahtevo. V primeru zračne reže med zaščitnim steklom in elementom bi izgube odboja in absorpcije dosegle 20-30 % v primerjavi z 12 % brez zračne reže.
Električni parametri sončne celice so predstavljeni kot ločena sončna celica v obliki tokovno-napetostne krivulje pod standardnimi pogoji (Standardni testni pogoji), to je s sončnim sevanjem 1000 W/m2, temperaturo - 25 °C in sončnim sevanjem. spekter na zemljepisni širini 45 ° (AM1.5).
Točka presečišča krivulje z napetostno osjo se imenuje napetost odprtega tokokroga - Uxx, točka presečišča s tokovno osjo se imenuje tok kratkega stika Ikz.
Največja moč modula je opredeljena kot največja moč v skladu s STC (Standart Test Conditions). Napetost, ki ustreza največji moči, se imenuje največja napetost moči (delovna napetost - Up), ustrezen tok pa se imenuje maksimalni tok moči (delovni tok - Ip).
Vrednost delovne napetosti za modul, sestavljen iz 36 elementov, bo torej približno 16 ... 17 V (0,45 ... 0,47 V na element) pri 25 ° C.
Takšna napetostna meja v primerjavi z napetostjo polnega polnjenja baterije (14,4 V) je potrebna za kompenzacijo izgub v krmilniku polnjenja in praznjenja akumulatorja (o tem bomo govorili kasneje) in predvsem za zmanjšanje delovne napetosti modula ko se modul segreje s sevanjem: temperaturni koeficient za silicij je približno minus 0,4 %/stopnjo (0,002 V/stopnjo za eno celico).
Treba je opozoriti, da napetost odprtega tokokroga modula ni veliko odvisna od osvetlitve, medtem ko je tok kratkega stika in s tem delovni tok neposredno sorazmeren z osvetlitvijo.
Tako se pri segrevanju v realnih pogojih delovanja moduli segrejejo na temperaturo 60-70 ° C, kar ustreza premiku točke delovne napetosti, na primer za modul z delovno napetostjo 17 V - od 17 V do 13,7-14,4 V (0,38-0,4V na celico).
Na podlagi vsega navedenega je treba pristopiti k izračunu števila serijsko povezanih elementov modula.Če mora odjemalec imeti izmenično napetost, se doda pretvornik-pretvornik enosmerne napetosti v izmenično napetost. ta komplet.
Izračun FES pomeni določitev nazivne moči modulov, njihovega števila, sheme povezave; izbira vrste, pogojev delovanja in zmogljivosti baterije; zmogljivosti pretvornika in krmilnika polnjenja in praznjenja; določitev parametrov priključnih kablov.
Najprej je treba določiti skupno moč vseh istočasno priključenih porabnikov. Moč vsakega od njih se meri v vatih in je navedena v podatkovnih listih izdelka. Na tej stopnji je že mogoče izbrati moč pretvornika, ki naj bo vsaj 1,25-krat večja od izračunane. Upoštevati je treba, da tako zvita naprava, kot je kompresorski hladilnik, ob lansiranju porabi 7-krat več energije kot na tablici.
Nazivni razpon pretvornikov je 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Za močne postaje (več kot 1 kW) je napetost postaje izbrana najmanj 48 V, ker Pri višjih močeh pretvorniki bolje delujejo z višjimi vhodnimi napetostmi.
Naslednji korak je določitev zmogljivosti baterije. Zmogljivost baterije je izbrana iz standardnega obsega kapacitet, zaokroženih na stran, ki je večja od izračunane. In izračunano zmogljivost dobimo tako, da skupno moč porabnikov preprosto delimo z zmnožkom napetosti akumulatorja in vrednostjo globine praznjenja baterije v frakcijah.
Na primer, če je skupna moč porabnikov 1000 Wh na dan in je dovoljena globina praznjenja 12 V baterije 50%, potem bo izračunana zmogljivost:
1000 / (12 x 0,5) = 167 Ah
Pri izračunu kapacitete baterije v popolnoma avtonomnem načinu je treba upoštevati prisotnost oblačnih dni v naravi, med katerimi mora baterija zagotavljati delovanje porabnikov.
Zadnja faza je določitev skupne moči in števila solarnih modulov. Za izračun je potrebna vrednost sončnega sevanja, ki se vzame med delovanjem postaje, ko je sončno sevanje minimalno. V primeru celoletne uporabe je to december.
V razdelku o meteorologiji so podane mesečne in skupne letne vrednosti sončnega sevanja za glavne regije Rusije, pa tudi z gradacijo glede na različne usmeritve ravnine, ki sprejema svetlobo.
Če od tam vzamemo vrednost sončnega sevanja za obdobje, ki nas zanima, in jo delimo s 1000, dobimo tako imenovano število piko-ur, torej pogojni čas, v katerem sonce tako rekoč sije z intenzivnost 1000 W/m2.
Na primer, za zemljepisno širino Moskve in mesec julij je vrednost sončnega sevanja 167 kWh/m2, ko je lokacija usmerjena proti jugu pod kotom 40o glede na obzorje. To pomeni, da v povprečju sonce sije julija 167 ur (5,5 ure na dan) z intenzivnostjo 1000 W/m2, čeprav največja osvetlitev opoldne na mestu, usmerjenem pravokotno na svetlobni tok, ne presega 700- 750 W/m2.
Modul Pw v izbranem obdobju bo proizvedel naslednjo količino energije: W = k Pw E / 1000, kjer je E vrednost insolacije za izbrano obdobje, k koeficient poleti 0,5 in pozimi 0,7.
Ta faktor popravlja izgubo moči sončnih celic pri segrevanju s soncem, upošteva pa tudi poševno vpadnost žarkov na površino modulov čez dan.
Razlika v njegovi vrednosti pozimi in poleti je posledica manjšega ogrevanja elementov pozimi.
Na podlagi skupne moči porabljene energije in zgornje formule je enostavno izračunati skupno moč modulov. In če ga poznamo, dobimo število modulov tako, da ga preprosto delimo z močjo enega modula.
Pri izdelavi FES je močno priporočljivo čim bolj zmanjšati moč porabnikov. Na primer, uporabite (če je mogoče) samo fluorescenčne sijalke kot osvetljevalce. Takšne sijalke, čeprav porabijo 5-krat manj, zagotavljajo svetlobni tok, ki je enak svetlobnemu toku žarnice.
Za majhne FES je priporočljivo namestiti njegove module na vrtljivi nosilec za optimalno vrtenje glede na vpadne žarke. To bo povečalo zmogljivost postaje za 20-30%.
Malo o inverterjih.
Pretvorniki ali pretvorniki DC-AC so zasnovani za zagotavljanje visokokakovostnega napajanja različne opreme in naprav v odsotnosti ali nizki kakovosti AC napajalnika s frekvenco 50 Hz in napetostjo 220 V, različnih izrednih razmerah, itd.
Pretvornik je impulzni enosmerni pretvornik z napetostjo 12 (24, 48, 60) V v AC s stabilizirano napetostjo 220 V pri frekvenci 50 Hz. Večina razsmernikov ima STABILIZIRAN SINUSOIDALNI izhod napetosti, kar jim omogoča uporabo za napajanje skoraj katere koli opreme in naprav.
Strukturno je pretvornik izdelan v obliki namizne enote. Na sprednji plošči razsmernika je stikalo za delovanje izdelka in indikator za delovanje pretvornika. Na zadnji strani izdelka so kabli (sponke) za priklop vira enosmernega toka, na primer baterija, ozemljitveni vodnik za ohišje pretvornika, luknja z nosilcem ventilatorja (hlajenje), tripolna evro vtičnica za povezovanje bremena.
Stabilizirana napetost na izhodu pretvornika omogoča zagotavljanje visokokakovostnega napajanja bremena med spremembami / nihanji vhodne napetosti, na primer, ko se baterija izprazni, ali nihanji toka, ki ga porabi obremenitev. Zagotovljena galvanska izolacija vira enosmernega toka na vhodu in izmeničnega tokokroga z obremenitvijo na izhodu pretvornika omogočata, da pri uporabi različnih virov enosmernega toka ali katere koli električne opreme ne sprejemamo dodatnih ukrepov za zagotovitev varnosti delovanja. Prisilno hlajenje močnostnega odseka in nizka raven hrupa med delovanjem pretvornika omogočata na eni strani zagotavljanje dobrih težo in dimenzijskih lastnosti izdelka, po drugi strani pa s tovrstnim hlajenjem ne povzročata nevšečnosti pri delovanju v oblika hrupa.
- Vgrajena nadzorna plošča z elektronsko tablo
- Potenciometer kapacitivnosti, ki omogoča natančne nastavitve
- Normaliziran zatič: WE WY STEROW
- Vgrajeno vrtenje zavor
- Radiator z ventilatorjem
- Estetska pritrditev
- Napajanje 230 V - 400 V
- Preobremenitev 150% - 60s
- Čas delovanja 0,01...1000 sekund
- Vgrajen električni filter, razred A
- Delovna temperatura: -5°C - +45°C
- vrata RS485
- Frekvenčni korak: 0,01 Hz - 1 kHz
- Zaščitni razred IP 20
Funkcionalno zagotavlja: povečanje, zmanjšanje frekvence, nadzor preobremenitve, pregrevanja.
Za večino obnovljivih virov energije - hidroenergije, mehanske in toplotne energije oceanov, vetrne in geotermalne energije - je značilen bodisi omejen potencial bodisi znatne težave pri široki uporabi. Skupni potencial večine obnovljivih virov energije bo povečal porabo energije s trenutnih ravni le za red velikosti. Obstaja pa še en vir energije - sonce. Sonce, zvezda spektralnega razreda 2, rumena pritlikavka, je zelo povprečna zvezda po vseh svojih glavnih parametrih: masi, polmeru, temperaturi in absolutni magnitudi. Toda ta zvezda ima eno edinstveno lastnost - je "naša zvezda" in človeštvo dolguje ves svoj obstoj tej povprečni zvezdi. Naša svetilka oskrbuje Zemljo z močjo približno 10 17 W - taka je moč "sončnega žarka" s premerom 12,7 tisoč km, ki nenehno osvetljuje stran našega planeta, obrnjeno proti Soncu. Intenzivnost sončne svetlobe na morski gladini v južnih zemljepisnih širinah, ko je sonce v zenitu, je 1 kW/m2. Z razvojem visoko učinkovitih metod za pretvorbo sončne energije lahko Sonce zagotavlja eksplozivno rastoče potrebe po energiji več sto let.
Argumenti nasprotnikov obsežne rabe sončne energije se v glavnem zvedejo na naslednje argumente:
1. Specifična moč sončnega sevanja je majhna, obsežna pretvorba sončne energije pa bo zahtevala zelo velika območja.
2. Pretvorba sončne energije je zelo draga in zahteva skoraj nerealne stroške materiala in dela.
Kako veliko bo območje Zemlje, ki ga pokrivajo pretvorniški sistemi, za proizvodnjo pomembnega deleža električne energije v svetovnem energetskem proračunu? Očitno je to področje odvisno od učinkovitosti uporabljenih pretvorniških sistemov. Za oceno učinkovitosti fotonapetostnih pretvornikov, ki neposredno pretvarjajo sončno energijo v električno energijo s pomočjo polprevodniških fotocelic, uvedemo koncept faktorja učinkovitosti (COP) fotocelice, ki je opredeljen kot razmerje med močjo električne energije, ki jo ta element ustvari, in močjo sončnega žarka, ki pade na površino fotocelice. Torej, z izkoristkom solarnih pretvornikov, ki je enak 10 % (tipične vrednosti izkoristka za silicijeve fotocelice, ki se široko uporabljajo v serijski industrijski proizvodnji za potrebe zemeljske energije), bi proizvedli 10 12 W električne energije. je treba s fotokonverterji pokriti površino 4 * 10 10 m 2, enako kvadratu s stranico 200 km. V tem primeru se predpostavlja, da je intenzivnost sončnega sevanja 250 W/m2, kar ustreza tipični povprečni vrednosti med letom za južne zemljepisne širine. To pomeni, da "nizka gostota" sončnega sevanja ni ovira za razvoj obsežne sončne energije.
Zgornji premisleki so dokaj močan argument: problem pretvorbe sončne energije je treba rešiti danes, da bi to energijo uporabili jutri. Ta problem lahko vsaj za šalo obravnavamo v okviru reševanja energetskih problemov v kontrolirani termonuklearni fuziji, ko je učinkovit reaktor (Sonce) ustvarila sama narava in zagotavlja vir zanesljivega in varnega delovanja več milijonov let, naše naloga je samo razviti zemeljsko pretvorniško postajo. V zadnjem času so bile v svetu opravljene obsežne raziskave na področju sončne energije, ki so pokazale, da lahko v bližnji prihodnosti ta način pridobivanja energije postane ekonomsko upravičen in se široko uporablja.
Rusija je bogata z naravnimi viri. Imamo znatne zaloge fosilnih goriv – premoga, nafte, plina. Vendar pa je za našo državo velikega pomena tudi uporaba sončne energije. Kljub dejstvu, da velik del ozemlja Rusije leži v visokih zemljepisnih širinah, so nekatere zelo velike južne regije naše države zaradi podnebja zelo ugodne za široko uporabo sončne energije.
Še večje možnosti ima uporaba sončne energije v državah ekvatorialnega pasu Zemlje in območjih blizu tega pasu, za katere je značilna visoka raven sončne energije. Tako v številnih regijah Srednje Azije trajanje neposrednega sončnega obsevanja doseže 3000 ur na leto, letni prihod sončne energije na vodoravno površino pa je 1500-1850 kW o uro/m 2 .
Glavna področja dela na področju pretvorbe sončne energije so trenutno:
- neposredno toplotno ogrevanje (sprejem toplotne energije) in termodinamično pretvorbo (prejem električne energije z vmesno pretvorbo sončne energije v toplotno energijo);
— fotoelektrična pretvorba sončne energije.
Neposredno toplotno ogrevanje je najpreprostejši način pretvorbe sončne energije in se pogosto uporablja v južnih regijah Rusije in v državah ekvatorialnega pasu pri sončnem ogrevanju, oskrbi s toplo vodo, hlajenju stavb, razsoljevanju vode itd. Osnova inštalacij za izrabo sončne toplote so ploščati sončni kolektorji - absorberji sončnega sevanja. Voda ali druga tekočina, ki je v stiku z absorberjem, se segreje in se iz njega odstrani s črpalko ali naravno cirkulacijo. Nato segreta tekočina vstopi v skladišče, od koder se po potrebi porabi. Takšna naprava spominja na sistem tople vode za gospodinjstvo.
Električna energija je najprimernejša oblika energije za uporabo in prenos. Zato je razumljivo zanimanje raziskovalcev za razvoj in ustvarjanje sončnih elektrarn z vmesno pretvorbo sončne energije v toploto z njeno naknadno pretvorbo v električno.
V svetu so zdaj najpogostejše sončne termoelektrarne dveh vrst: 1) stolpni s koncentracijo sončne energije na enem sončnem sprejemniku, ki se izvaja z uporabo velikega števila ravnih ogledal; 2) razpršeni sistemi paraboloidov in paraboličnih cilindrov, v središču katerih so toplotni sprejemniki in pretvorniki nizke moči.
2. RAZVOJ SONČNE ENERGIJE
V poznih sedemdesetih in zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo v različnih državah sveta zgrajenih sedem pilotnih sončnih elektrarn (SPP) tako imenovanega tipa stolp z močjo od 0,5 do 10 MW. Največja sončna elektrarna z močjo 10 MW (Solar One) je bila zgrajena v Kaliforniji. Vse te sončne elektrarne so zgrajene po istem principu: polje heliostatskih ogledal, postavljenih na tleh, ki sledijo soncu, odbija sončne žarke na sprejemnik-sprejemnik, nameščen na vrhu precej visokega stolpa. Sprejemnik je v bistvu solarni kotel, v katerem nastaja vodna para srednjih parametrov, ki se nato pošlje v standardno parno turbino.
Drugi projekt, stolp PHOEBUS SPP, izvaja nemški konzorcij. Projekt vključuje izdelavo demonstracijske hibridne (sončno gorivo) sončne elektrarne z zmogljivostjo 30 MW z volumetričnim sprejemnikom, v katerem se bo segreval atmosferski zrak, ki se nato pošlje v parni kotel, kjer nastaja vodna para. , ki deluje v Rankineovem ciklu. Na zračni poti od sprejemnika do kotla naj bi gorilnik kuril zemeljski plin, katerega količina je regulirana tako, da vzdržuje dano moč ves dan. Izračuni kažejo, da bo na primer za letno sončno sevanje 6,5 GJ / m 2 (podobno tistemu, ki je značilno za južne regije Ukrajine), ta SPP, ki ima skupno površino heliostata 160 tisoč m 2 , prejel 290,2 GW*h/leto sončne energije, količina vnesene energije z gorivom pa bo 176,0 GW*h/leto. Hkrati bo SPP proizvedla 87,9 GWh električne energije na leto s povprečnim letnim izkoristkom 18,8 %. S takšnimi kazalniki je mogoče pričakovati, da bodo stroški električne energije, proizvedene v SEP, na ravni TE na fosilna goriva.
Podjetje LUZ je od sredine 80. let prejšnjega stoletja v južni Kaliforniji ustvarilo in dalo v komercialno obratovanje devet SPP s paraboličnimi koritnimi koncentratorji (PCC) z enotnimi zmogljivostmi, ki so se od prve SPP do naslednje povečale s 13,8 na 80 MW. Skupna moč teh sončnih elektrarn je dosegla 350 MW. V teh SES so bili uporabljeni PCC-ji z odprtino, ki se je povečala ob prehodu s prvega SES na naslednje. Koncentratorji, ki sledijo soncu na eni osi, usmerjajo sončno sevanje na cevaste sprejemnike, zaprte v evakuiranih ceveh. V sprejemniku teče visokotemperaturni tekoči toplotni nosilec, ki se segreje na 380°C in nato toploto vodne pare prenese na generator pare. Shema teh SPP predvideva tudi zgorevanje nekaj zemeljskega plina v generatorju pare za proizvodnjo dodatne konične električne energije, pa tudi za kompenzacijo zmanjšane insolacije.
Ti SES so bili ustvarjeni in delovali v času, ko so v Združenih državah veljali zakoni, ki so SES omogočali delovanje brez izgub. Iztek veljavnosti teh zakonov ob koncu 80-ih je privedel do tega, da je podjetje LUZ šlo v stečaj, gradnja novih tovrstnih SPP pa je bila ustavljena.
KJC (Kramer Junction Company), ki je upravljal pet od devetih zgrajenih sončnih elektrarn (od 3 do 7), si je zadal nalogo povečati učinkovitost teh sončnih elektrarn, zmanjšati njihove obratovalne stroške in jih narediti ekonomsko privlačne v novem pogoji. Trenutno se ta program uspešno izvaja.
Švica je postala ena izmed vodilnih v uporabi sončne energije. Od leta 1997 je bilo tu zgrajenih približno 2.600 solarnih instalacij na osnovi fotovoltaičnih pretvornikov z zmogljivostjo od 1 do 1.000 kW. Program, imenovan "Solar-91" in se izvaja pod sloganom "Za energetsko neodvisno Švico", pomembno prispeva k reševanju okoljskih problemov in energetski neodvisnosti države, ki danes uvaža več kot 70 % energije. Sončna elektrarna z močjo 2-3 kW je najpogosteje nameščena na strehah in fasadah stavb. Takšna naprava proizvede povprečno 2000 kWh električne energije na leto, kar zadostuje za domače potrebe povprečnega švicarskega doma. Velika podjetja na strehe industrijskih objektov montirajo solarne inštalacije z močjo do 300 kW. Takšna postaja pokriva potrebe podjetja po električni energiji za 50-60%.
V razmerah alpskega visokogorja, kjer je nerentabilno polaganje daljnovodov, se gradijo tudi sončne instalacije velike moči. Izkušnje iz obratovanja kažejo, da je Sun že sposoben zadovoljiti potrebe vseh stanovanjskih objektov v državi. Sončne elektrarne, ki se nahajajo na strehah in stenah hiš, na protihrupnih ograjah cest, na prometnih in industrijskih objektih, ne potrebujejo dragih kmetijskih zemljišč za lastno postavitev. Avtonomna solarna instalacija v bližini vasi Grimsel zagotavlja električno energijo za 24-urno osvetlitev cestnega predora. V bližini mesta Shur sončne celice, nameščene na 700-metrskem odseku protihrupne ograje, zagotavljajo 100 kW električne energije letno.
Sodoben koncept izrabe sončne energije se najbolj izraža pri gradnji objektov tovarne okenskega stekla v Arisdorfu, kjer so solarnim panelom s skupno močjo 50 kW pri projektiranju dodelili dodatno vlogo stropnih in fasadnih elementov. . Učinkovitost sončnih pretvornikov z močnim ogrevanjem se opazno zmanjša, zato so pod ploščami položeni prezračevalni cevovodi za črpanje zunanjega zraka. Kot dekorativna obloga služijo temno modri fotokonverterji, ki se svetijo na soncu na južni in zahodni fasadi upravne stavbe, ki dajejo električno energijo v omrežje.
V državah v razvoju se razmeroma majhne inštalacije uporabljajo za napajanje posameznih hiš, v oddaljenih vaseh za opremljanje kulturnih centrov, kjer lahko po zaslugi fotopomnoževalcev uporabljate televizorje itd. pride v ospredje, vendar družbeni učinek. Programe izvajanja PMT v teh državah aktivno podpirajo mednarodne organizacije, pri njihovem financiranju pa sodeluje Svetovna banka na podlagi pobude Solar, ki jo je predlagala. Na primer, v Keniji je bilo v zadnjih 5 letih 20.000 podeželskih hiš elektrificiranih s pomočjo PMT. Velik program za uvedbo PMT se izvaja v Indiji, kjer je v letih 1986-1992. Za namestitev PMT na podeželskih območjih je bilo porabljenih 690 milijonov rupij.
V industrializiranih državah aktivno uvajanje PMT razlaga več dejavnikov. Prvič, PMT veljajo za okolju prijazne vire, ki lahko zmanjšajo škodljive vplive na okolje. Drugič, uporaba PMT v zasebnih domovih povečuje energetsko avtonomijo in ščiti lastnika v primeru morebitnih motenj v centraliziranem oskrbi z električno energijo.
3. FOTOELEKTRIČNA PRETVORBA SONČNE ENERGIJE
Akademik A.F. Ioffe. O uporabi polprevodniških fotovoltaičnih celic v sončni energiji je sanjal že v tridesetih letih, ko je B.T. Kolomiets in Yu.P. Maslakovets je na Fizikotehniškem inštitutu ustvaril fotocelice iz talijevega sulfida z rekordno učinkovitostjo za ta čas = 1%.
Široka praktična uporaba sončnih baterij za energetske namene se je začela z izstrelitvijo umetnih zemeljskih satelitov leta 1958 - sovjetskega Sputnika-3 in ameriškega Avangarda-1. Od takrat, že več kot 35 let, so polprevodniške sončne baterije glavni in skoraj edini vir napajanja za vesoljska plovila in velike orbitalne postaje tipa Salyut in Mir. Velika podlaga, ki so jo razvili znanstveniki na področju sončnih baterij za vesoljske namene, je omogočila tudi razvoj dela na zemeljski fotovoltaični energiji.
Osnova fotocelic je polprevodniška struktura s p-n spojem, ki se pojavi na vmesniku dveh polprevodnikov z različnimi prevodnimi mehanizmi. Upoštevajte, da ta terminologija izvira iz angleških besed pozitivno (pozitivno) in negativno (negativno). Različne vrste prevodnosti dobimo s spreminjanjem vrste nečistoč, vnesenih v polprevodnik. Tako so na primer atomi III skupine periodnega sistema D.I. Mendelejev, vneseni v kristalno mrežo silicija, daje slednjemu luknjo (pozitivno) prevodnost, nečistoče skupine V pa elektronsko (negativno). Stik p ali n-polprevodnikov vodi do nastanka kontaktnega električnega polja med njimi, ki ima izjemno pomembno vlogo pri delovanju sončne fotocelice. Pojasnimo vzrok kontaktne potencialne razlike. Ko so polprevodniki p- in n-tipa združeni v enem monokristalu, pride do difuzijskega toka elektronov iz polprevodnika n-tipa v polprevodnik p-tipa in, nasprotno, do pretoka lukenj od p- do n-polprevodnika. Kot rezultat takega procesa bo del polprevodnika p-tipa, ki meji na pn stič, negativno nabit, del polprevodnika tipa n, ki meji na pn stič, pa bo, nasprotno, pridobil pozitiven naboj . Tako se v bližini p-n stičišča oblikuje dvojno nabita plast, ki nasprotuje procesu difuzije elektronov in lukenj. Dejansko difuzija teži k ustvarjanju pretoka elektronov iz n-območja v p-območje, medtem ko polje nabitega sloja, nasprotno, teži k vračanju elektronov v n-območje. Podobno polje v p-n stičišču nasprotuje difuziji lukenj iz p- v n-območje. Kot posledica dveh procesov, ki delujeta v nasprotnih smereh (difuzija in gibanje tokovnih nosilcev v električnem polju), se vzpostavi stacionarno, ravnotežno stanje: na meji se pojavi nabita plast, ki preprečuje prodor elektronov iz n-polprevodnika. , in luknje iz p-polprevodnika. Z drugimi besedami, v območju p-n spoja nastane energetska (potencialna) ovira, za premagovanje katere morajo elektroni iz n-polprevodnika in luknje iz p-polprevodnika porabiti določeno energijo. Ne da bi se zadrževali na opisu električnih značilnosti p-n spoja, ki se pogosto uporablja v usmernikih, tranzistorjih in drugih polprevodniških napravah, razmislimo o delovanju p-n spoja v fotocelicah.
Ko se svetloba absorbira v polprevodniku, se vzbujajo pari elektron-luknja. V homogenem polprevodniku fotovzbujanje samo poveča energijo elektronov in lukenj, ne da bi jih ločevalo v prostoru, torej so elektroni in luknje ločeni v "energetskem prostoru", v geometrijskem prostoru pa ostanejo drug ob drugem. Za ločitev tokovnih nosilcev in pojav fotoelektromotorne sile (fotoEMF) mora obstajati dodatna sila. Najučinkovitejša ločitev neravnovesnih nosilcev poteka ravno v območju p-n stičišča. "Mali" nosilci, ki nastanejo v bližini pn spoja (luknje v n-polprevodniku in elektroni v p-polprevodniku), difundirajo na pn stič, jih pobere polje pn spoja in se izvrže v polprevodnik, v katerem postanejo večinski nosilci: elektroni bodo lokalizirani v polprevodniku n-tipa, luknje pa v polprevodniku p-tipa. Posledično prejme polprevodnik p-tipa presežek pozitivnega naboja, polprevodnik n-tipa pa negativen. Med n- in p-območji fotocelice nastane potencialna razlika - fotoEMF. Polarnost fotoEMF ustreza "neposredni" pristranskosti pn spoja, ki znižuje višino pregrade in spodbuja vbrizgavanje lukenj iz p-območja v n-območje in elektronov iz n-območja v p-območje . Kot posledica delovanja teh dveh nasprotnih mehanizmov - kopičenja tokovnih nosilcev pod vplivom svetlobe in njihovega odtoka zaradi zmanjšanja višine potencialne pregrade - se pri različnih jakostih svetlobe vzpostavi različna vrednost fotoEMF. V tem primeru se vrednost fotoEMF v širokem območju osvetlitve poveča sorazmerno z logaritmom svetlobne jakosti. Pri zelo visoki svetlobni jakosti, ko se potencialna pregrada izkaže za skoraj nič, vrednost fotoEMF preide v "nasičenost" in postane enaka višini pregrade na neosvetljenem p-n stičišču. Ko je izpostavljen neposrednemu, pa tudi zgoščenemu do 100 - 1000-kratnemu sončnemu sevanju, je vrednost foto-EMF 50 - 85 % vrednosti kontaktne potencialne razlike p-n spoja.
Tako je obravnavan proces nastanka fotoEMF, ki se pojavi na stikih s p- in n-območji p-n stičišča. V primeru kratkega stika osvetljenega p-n spoja bo v električnem tokokrogu stekel tok, sorazmeren z velikostjo intenzivnosti osvetlitve in številom parov elektron-luknja, ki jih ustvari svetloba. Ko je koristna obremenitev, kot je kalkulator na sončno energijo, vključena v električni tokokrog, se bo količina toka v tokokrogu nekoliko zmanjšala. Običajno je električni upor koristne obremenitve v tokokrogu sončne celice izbran tako, da se doseže največja električna moč, dostavljena tej obremenitvi.
Sončna celica je narejena na podlagi plošče iz polprevodniškega materiala, kot je silicij. V plošči so ustvarjene regije s p- in n-tipi prevodnosti. Kot metode za ustvarjanje teh območij se uporablja na primer metoda difuzije nečistoč ali metoda gojenja enega polprevodnika na drugega. Nato se izdelata spodnji in zgornji električni kontakt, pri čemer je spodnji kontakt trden, zgornji pa v obliki glavnikaste strukture (tanki trakovi, povezani z razmeroma širokim tokovnim zbiralnikom).
Silicij je glavni material za proizvodnjo sončnih celic. Tehnologija proizvodnje polprevodniškega silicija in fotocelic na njegovi osnovi temelji na metodah, razvitih v mikroelektroniki, najnaprednejši industrijski tehnologiji. Silicij je očitno na splošno eden najbolj raziskanih materialov v naravi, poleg tega je drugi najpogostejši za kisikom. Glede na to, da so bile prve sončne celice izdelane iz silicija pred približno štiridesetimi leti, je naravno, da ta material igra prvo goslo v programih fotovoltaične sončne energije. Monokristalne silikonske fotocelice združujejo prednosti uporabe relativno poceni polprevodniškega materiala z visokimi parametri naprav, pridobljenih na njegovi osnovi.
Do nedavnega so bile sončne baterije za kopenske aplikacije, pa tudi za vesoljske aplikacije, izdelane na osnovi relativno dragega monokristalnega silicija. Znižanje stroškov začetnega silicija, razvoj visoko zmogljivih metod za izdelavo rezin iz ingotov in napredne tehnologije za izdelavo sončnih celic so omogočili znižanje stroškov zemeljskih sončnih celic, ki temeljijo na njih, za več krat. Glavna področja dela za nadaljnje znižanje stroškov "sončne" električne energije so: pridobivanje elementov na osnovi poceni, vključno s trakom, polikristalnega silicija; razvoj poceni tankoplastnih elementov na osnovi amorfnega silicija in drugih polprevodniških materialov; izvedba pretvorbe koncentriranega sončnega sevanja z uporabo visoko učinkovitih elementov na osnovi silicija in relativno novega polprevodniškega materiala aluminij-galij-arzen.
Fresnelova leča je plošča iz pleksi stekla debeline 1–3 mm, katere ena stran je ravna, na drugi strani pa je oblikovan profil v obliki koncentričnih obročev, ki ponavljajo profil konveksne leče. Fresnelove leče so bistveno cenejše od običajnih konveksnih leč in hkrati zagotavljajo stopnjo koncentracije 2-3 tisoč "soncev".
V zadnjih letih je svet dosegel pomemben napredek pri razvoju silicijevih sončnih celic, ki delujejo pod koncentriranim sončnim obsevanjem. Silicijeve celice s faktorjem učinkovitosti > 25 % so nastale v pogojih obsevanja na zemeljski površini pri stopnji koncentracije 20–50 "sonc". Bistveno višje stopnje koncentracije omogočajo fotocelice na osnovi polprevodniškega materiala aluminij-galij-arzen, ki so ga prvič ustvarili na Fiziko-tehniškem inštitutu. A.F. Joffe leta 1969. V takih sončnih celicah so vrednosti učinkovitosti > 25 % dosežene pri stopnji koncentracije do 1000-krat. Kljub visoki ceni takšnih elementov njihov prispevek k strošku proizvedene električne energije pri visokih stopnjah koncentracije sončnega sevanja zaradi občutnega (do 1000-kratnega) zmanjšanja njihove površine ni odločilen. Situacija, v kateri stroški fotocelic ne prispevajo bistveno k skupnim stroškom sončne elektrarne, je upravičeno zapletati in zvišati stroške fotocelice, če to zagotavlja povečanje učinkovitosti. To pojasnjuje pozornost, ki jo trenutno namenjamo razvoju kaskadnih sončnih celic, ki lahko dosežejo znatno povečanje učinkovitosti. V kaskadni sončni celici je sončni spekter razdeljen na dva (ali več) delov, na primer vidnega in infrardečega, od katerih se vsak pretvori s pomočjo fotocelic, izdelanih na osnovi različnih materialov. V tem primeru se zmanjšajo izgube energije kvantov sončnega sevanja. Na primer, pri dvoelementnih kaskadah teoretična vrednost učinkovitosti presega 40%.
