Солнечные батареи

 

2.4. Перспективы использования солнечных батарей.

Развитие технологии солнечных  батарей имеет свои плюсы и  минусы:

 

С фундаментальной точки  зрения.

 Из-за теоретических  ограничений в преобразовании  спектра в полезную энергию  (около 30 %) для фотоэлементов первого  и второго поколения требуется  использование больших площадей  земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров (для сравнения, - гидроэнергетика, при таких же мощностях, выводит из пользования заметно большие участки земли), но строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности и поэтому в основном устанавливаются фотоэлектрические станции мощностью 1 - 2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки. Фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8-2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота. Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

 Поток солнечной энергии,  падающий на установленный под  оптимальным углом фотоэлемент,  зависит от широты, сезона и  климата и может различаться  в два раза для заселённой  части суши (до трёх с учётом  пустыни Сахары). Атмосферные явления  (облака, туман, пыль и др.) не  только изменяют спектр и интенсивность  падающего на поверхность Земли  солнечного излучения, но и  изменяют соотношение между прямым  и рассеянным излучениями, что  оказывает значительное влияние  на некоторые типы солнечных  электростанций, например, с концентраторами  или на элементах широкого спектра преобразования.

 

По прикладным вопросам.

 Фотоэлектрические преобразователи  работают днём и с меньшей  эффективностью работают в утренних  и вечерних сумерках. При этом  пик электропотребления приходится  именно на вечерние часы. Кроме  того, производимая ими электроэнергия  может резко и неожиданно колебаться  из-за смены погоды. Для преодоления  этих недостатков на солнечных  электростанциях используются эффективные  электрические аккумуляторы (на  сегодняшний день это не достаточно  решённая проблема), либо преобразуют  в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции,  которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики, которая на сегодняшний день  пока недостаточно экономически эффективна. На сегодняшний день эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций.

 На сегодняшний день  сравнительно высокая цена солнечных  фотоэлементов. С развитием технологии  и ростом цен на ископаемые  энергоносители этот недостаток  преодолевается. В 1990-2005 гг. цены  на фотоэлементы снижались в  среднем на 4 % в год.

     Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.

 Эффективность фотоэлектрических  элементов падает при их нагреве  (в основном это касается систем  с концентраторами), поэтому возникает  необходимость в установке систем  охлаждения, обычно водяных. Также  в фотоэлектрических преобразователях  третьего и четвёртого поколений  используют для охлаждения преобразование  теплового излучения в излучение  наиболее согласованное с поглощающим  материалом фотоэлектрического  элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД.

 Через 30 лет эксплуатации  эффективность фотоэлектрических  элементов начинает снижаться.  Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть,  в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который  недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации.

 

По экологическим вопросам.

 При производстве фотоэлементов  уровень загрязнений не превышает  допустимого уровня для предприятий  микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют  срок службы (30-50 лет). Применение  кадмия, связанного в соединениях,  при производстве некоторых типов  фотоэлементов, с целью повышения  эффективности преобразования, ставит  сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока  приемлемого с экологической  точки зрения решения, хотя  такие элементы имеют незначительное  распространение и соединениям  кадмия при современном производстве  уже найдена достойная замена.

В последнее время активно  развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых  содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе подложки на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности CIS и CIGS, достойных конкурентов кремнию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава3. Методы исследований солнечных батарей.

3.1. Модели расчетов мощности солнечных батарей.

Объектом исследований явились  солнечные элементы и батареи  из различных полупроводниковых  материалов.

      Все способы   расчета вырабатываемой мощности  СБ выполняются по следующим моделям:

• модель КПД;
• модель поправочных коэффициентов;
• модель физическая;
• модель  статистическая.

 

В первой, наиболее простой модели вырабатываемая мощность считается путем умножения КПД СБ на мощность солнечного излучения, которая соответствует тому региону, где будет располагаться СБ. Этот способ расчета имеет наибольшую погрешность и носит оценочный характер.

Вторая модель – модель, в которой вводятся ряд поправочных коэффициентов для учета влияния ряда внешних факторов на КПД СБ. :

η_CDE = r_SP · r_T· r_G· r_IA· r_X· η_STC,    

где  η_STC  – КПД солнечных батарей, измеренный при стандартных условиях (t=25^oС, АМ 1.5, мощность излучения1000 Вт/м²);

r_SP – коэффициент, учитывающий отличие спектра солнечного излучения от спектра АМ 1.5;

r_T – коэффициент, учитывающий отличие температуры, при которой работает солнечных батарей,  от стандартной;

r_G – коэффициент, учитывающий различия между мощностью солнечного излучения и стандартной мощностью;

r_IA –  коэффициент, учитывающий угол наклона солнечных батарей.

 

К недостаткам такой модели можно отнести то, что эти коэффициенты применимы только для небольшой  территории. В этом случае погрешность  оценки  составляет 20%.

Третья модель - физическая, в которой расчет мощности солнечных батарей проводится на основе решения уравнений переноса  для р-n перехода полупроводникового материала с учетом разогрева солнечных батарей. Недостатком физической модели является то, что для расчета мощности солнечных батарей необходимо знать спектр солнечного излучения в каждый конкретный момент. Замена реального спектра на  функцию Планка, описывающей излучение абсолютно черного тела при температуре 5800 К, приводит к ошибке порядка 10 %.  Так же, для физической модели необходимо знать время жизни носителей заряда, коэффициенты диффузии, концентрации примесей и т. д., что не всегда представляется возможным.

Четвертая модель - статистическая. При анализе результатов научных исследований часто имеет место ситуация, когда количественное изменение изучаемого явления зависит от нескольких причин (факторов). При  проведении экспериментов в такой множественной ситуации исследователь записывает показания приборов о состоянии функции отклика и всех факторов, от которых она зависит.  Результатами наблюдений является матрица. В этом случае методы обработки данных наблюдений базируются на положении теории вероятности и математической статистики. Для статистических методов построения эмпирических зависимостей очень важно, чтобы результаты наблюдений подчинялись нормальному закону распределения, поэтому проверка нормальности распределения – основное содержание предварительной обработки результатов наблюдений. Для расчетов коэффициентов в математической модели используют   множественный корреляционный анализ, множественный линейный регрессионный анализ (методы математической статистики).

Первым этапом регрессионного анализа является определение вероятностного взаимного влияния параметров друг на друга. Для этого, используя множественный  корреляционный анализ, были рассчитаны парные коэффициенты корреляции, характеризующие  тесноту связи между факторами, влияющими на работу СБ. Затем, используя  парные коэффициенты корреляции,  был  построен следующий  граф:

Рис.3.1. Граф работы фотоэлектрических модулей. T – температура воздуха;   H – влажность воздуха; P -  давление воздуха; S – скорость ветра; cos(H) косинус угла наклона солнца над горизонтом, cos(А) азимут солнца,  Tb – температура фотоэлектрических модулей; Sr – солнечная радиация;    Ulab,Ilab –напряжение и ток фотоэлектрических модулей, измеренные в лабораторных условиях; W – мощность, вырабатываемая фотоэлектрическими модулями.

На рис. 3.1 прямыми линиями обозначены значимые парные коэффициенты корреляции.

Известно,  что  максимальная вырабатываемая мощность солнечных батарей: P = U_р × I_р, где    U_р  - рабочее напряжение;     I_р - рабочий ток.

Обычно, при производстве и последующих лабораторных испытаниях солнечных батарей в основном определяются ток короткого замыкания ( Iкз) и напряжения холостого хода (Uxx).  Известна формула, определяющая зависимость максимальной вырабатываемой мощности солнечных батарей от тока короткого замыкания (КЗ) и напряжения холостого хода (ХХ).

P_work = K × U_xx× I_кз,

где K – коэффициент заполнения ВАХ;

 

 

Тогда можно записать:        U_р ~ K_xx × U_xx ,  I_р ~ K_кз × I_кз, 

где K_xx и K_кз – коэффициенты, учитывающие влияние климатических, аппаратных и технологических факторов.

 

3.2.Анализ работы солнечных батарей в зависимости от природных факторов.

                                    Солнечная радиация.

Преобразование энергии  в солнечных батареях  основано на фотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. В отличие от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света. Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50%. На выходные параметры СБ будет влиять не только суммарная солнечная радиация, но  и положение солнца на небосводе. Чем ближе положение солнца к зенитному положению, тем больший ток будет вырабатывать СБ, но при этом будет иметь место и более сильный разогрев рабочей поверхности СБ.

Ионизирующее излучение (рисунок 3.2) уменьшает значения тока короткого замыкания, напряжения холостого хода и максимальной мощности СЭ GaInP₂/GaAs/Ge.

Рис. 3.2. Выходные характеристики GaInP₂/GaAs/Ge СЭ без облучения и под действием радиационного облучения 1×10¹⁴, 3×10¹⁴, 1×10¹⁶ МэВ электрон/см².

 

Температура воздуха  и скорость ветра.

При работе СБ без охлаждения в ней выделяется большое количество тепловой энергии и рабочая температура возрастает. Значительное повышение температуры влияет на концентрацию носителей заряда, а также на процесс поглощения света, в результате чего изменяются выходные параметры СБ. Понятно, что рабочая температура СБ будет зависеть от температуры окружающего воздуха.

Из рисунка 3.3 следует, что при увеличении температуры солнечной батареи с 10°С до 50°С (ΔТ=40° С) напряжение холостого хода уменьшается с 19 до 12 В, а КПД падает  с 13% до 5%. При этом разница температуры воздуха и солнечной батареи составляет от 10°С до 30 °С. В предыдущем эксперименте  температура солнечной батареи не измерялась, и поэтому не были четко оценены зависимости параметров СБ от температуры СБ. По результатам настоящего эксперимента можно сказать, что температурный коэффициент напряжения холостого хода  ΔU_x/ΔТ = -0,2 В/°С; температурный коэффициент КПД Δη/ΔТ = - 0,22 %/°С.

 

Рис. 3.3. Зависимости параметров солнечной батареи от рабочей температуры.

 

Результаты моделирования  ВАХ и ВВХ модуля HIT215N, изготовленного из монокристаллического кремния с тонкой пленкой аморфного кремния, под действием различных температур представлено на рисунке 3.4

 

Рис. 3.4. Моделирование влияния различных температур

на выходные характеристики модуля HIT215N.

 

Следует отметить влияние  скорости ветра, которая может служить  естественной конвекцией. Поэтому при  разработке модели необходимо учитывать  этот параметр.

 

Влажность и давление воздуха.

Также на параметры СБ влияет влажность воздуха, во-первых, потому что одна из полос поглощения водяного пара лежит в спектральной области работы СБ; во-вторых,  влажность может влиять на процессы теплообмена между СБ и окружающей средой.

С использованием физической модели строились графики зависимости  потоков электронов, дырок и суммарного потока от длины волны для АМ=1.5,  и излучения абсолютно черного тела с температурой 5800 К.

а)     б)

Рис. 3.5. Зависимости потоков электронов, дырок и суммарного потока от длины волны для АМ1.5, а – при реально измеренном спектре, б) при аппроксимации.