Солнечная фотовольтаика. Электрические характеристики ячеек и модулей и бытовые ФВ системы
Каталог первых двух разделов
Раздел 3. Солнечная фотовольтаика
1. Введение
2. Понятие «фотовольтаика»
3. Кремниевые солнечные ячейки: основные принципы
4. Монокристаллические ячейки кремния
5. Поликристаллический кремний
6. Арсенид галлия
7. Тонкие модули солнечных батарей
7.1. Аморфный кремний
7.2. Полупроводниковые ячейки с CuInSe2, CIGS и CdTe
8. Конструкции солнечных ячеек. Мультипереходные солнечные батареи
9. Концентрационные ФВ системы
10. Кремниевые сферы
11. Фотоэлектрохимические ячейки
12. «Третье поколение» ФВ ячеек
13. Электрические характеристики кремниевых ФВ ячеек и модулей
Один очень простой путь создания типичного блока кремниевых ячеек площадью 100 cм2 кремния - усиленная солнечная батарейка, производящая напряжение около 0,5 вольта, силу тока 3 Ампера при полном освещении (соблюдается такая пропорция).
Для того, чтобы использовать блоки ячеек эффективно, нам нужно знать немного больше о том, как они ведут себя, когда их соединяют с различными электрическими проводниками и устройствами. А вот рисунок, который показывает блок ячеек солнечной батареи, работающий в стандартных условиях, т.е. соединенный с резистивным потребителем R с регулируемым сопротивлением, с амперметром, измеряющим силу тока (I), и с вольтметром, измеряющим напряжение (V):
Блок ячеек солнечной батареи, соединенный с резистивным потребителем с регулируемым сопротивлением, с амперметром и вольтметром, для измерения силы тока и напряжения.
Когда сопротивление бесконечно (т.е. когда ячейка работает, но не соединена с резистивным потребителем, существует «открытая циркуляция»), ток в сети находится на минимуме (равен нулю), напряжении максимальное (так называемое «открытое схемное напряжение», Voc). Другая крайность, когда сопротивление нулевое, ячейка работает, ток в сети максимален - так называемый «ток короткого замыкания» (Isc).
Если мы изменяем сопротивление между нулем и бесконечностью, поток (I) и напряжение (V) изменятся, как показано в рисунке ниже, что называют «вольтамперной характеристикой» ячейки (I-V). Мощность (произведение напряжения и тока) является нулевым в VОC (поскольку I=0) и таким же нулевым в Isc (поскольку V=0). Между этими пунктами мощность повышается, а затем падает, и есть точка, в которой ячейка выдает максимальную мощность. Это максимальный показатель мощности (MПМ, MPP) на кривой I-V.
При низком уровне солнечного освещения (ниже стандартных 1000 Вт/м2, показанных на рисунке ниже, вольт-амперная характеристики остается такой же по форме, но ток короткого замыкания уменьшается соразмерно интенсивности освещения, а открытое схемное напряжение падает не так резко. Однако, открытое схемное напряжение и максимальная мощность уменьшаются линейно с увеличением температуры ячейки.
Вольт-амперная характеристика (I-V) типичной кремниевой ячейки солнечной батареи при стандартных условиях испытаний.
Когда блок ячеек солнечной батареи передает электроэнергию в реальную электросеть, интенсивность солнечного освещения постоянно меняется. Поэтому солнечные батареи объединяют с так называемыми маршрутизаторами максимума электрической мощности. Они подстраивают показатели ток под максимум мощности.
Как мы уже говорили, типичный блок кремниевых ячеек солнечной батареи имеет площадь 100 см2, производит напряжение около 0,5 V. С тех пор, как солнечные батареи используют для зарядки кислотных батареек, которые имеют типичное номинальное напряжение 12 V, модули солнечных батарей часто состоят из примерно 36 блоков ячеек, собранных вместе, чтобы гарантирует достаточное напряжение (обычно выше 13 V) для зарядки 12 V батареек даже в облачные дни.
14. Системы ФВ для отдаленного питания (изолированные)
Модули солнечных батарей широко используются в развитых странах для обеспечения электроэнергией в регионах, где было бы неудобно или дорого использовать сетевые поставки электроэнергии. Они часто заряжают батарейки гарантировать непрерывность власти. Некоторые примеры показаны на трех фото ниже:
(Слева) солнечные батареи парковочного аппарата; (посередине) навигационный буй; (справа) система телеметрии.
Для того, чтобы конкретизировать точно, сколько модулей солнечных батарей требуется для специфического оборудования с отдаленным месторасположением, какова должна быть емкость батарейки, проектировщику системы нужно знать:
■ Каковы ежедневные, еженедельные и сезонные изменения в электрическом спросе?
■ Каковы ежедневные, еженедельные и сезонные изменения в количестве солнечного освещения в области, где система расположена?
■ Какова предложенная ориентация и угол наклона модулей солнечных батарей?
■ В течение скольких пасмурных дней будут необходимы батарейки для обеспечения резервного электропитания?
Подбор размеров и компоновки модулей детально описаны в работах Imamura et al. (1992), Treble (1991), Roberts (1991), Lanier and Ang (1990). Простая пошаговая инструкция дана у Treble (1999).
Созданы также компьютерные программы, помогающие инженерам вычислить размер и стоимость солнечных батарей, отвечающим потребностям в электроэнергии в определенных регионах и климатических условиях.
Во многих «развивающихся» странах, однако, электросети рудиментарные или вообще отсутствуют, особенно в сельских областях, и все формы энергии достаточно дороги. Здесь фотоэлектрический способ получения электроэнергии может быть чрезвычайно конкурентоспособен по сравнению с другими формами энергоснабжения. Особенно в странах с высоким солнечным освещением. Здесь прежде всего необходимы водяные насосы, холодильники для хранения вакцин в больницах, небольшие батареи для жилых домов и общественных зданий для радио, звуковых и видео систем и мощные - для систем телесвязи и освещения улиц.
Евросоюз видит большой потенциал фотовольтаики в улучшении стандартов жизни 1-2 миллиардов людей, которые классифицированы Мировым Банком, как 'бедные'. ЕС в 'Плане развития' (1997) в отношении возобновляемой энергии в дополнение к уже предусмотренным 500 000 солнечным модулям на фасадах и крышах в Европе к 2010, также предложил экспортную инициативу, предполагающую установить также 500 000 солнечных батарей в сельской местности в конце десятилетия, чтобы децентрализовать электрификацию в развивающихся странах (см. документы Европейской Комиссии, 1997, и работы Pаlz, 1994).
Эта идея была повторена в более поздних сообщениях, в том числе в Плане действий по борьбе с бедностью, рассмотренном еще в 2002 году на Саммите по устойчивому развитию Организации объединенных наций, где был сделан акцент: солнечные батареи и другие возобновляемые источники могут удовлетворить потребности самых бедных людей по доступной цене. Экологически чистые, дружественные окружающей среде, эти технологии более приемлемы, чем ориентированные на древние ископаемые топлива. Они также удобны для людей, живущих в отдаленных областях более бедных стран. Этот документ убедил Правительства принять целью получать 4,5 ГВт энергии от солнечных батарей в развивающихся странах за следующее десятилетие. Уровня производства в 1 ГВт планировалось достичь к 2012, что также дало бы десятки тысяч рабочих мест (IT Power, 2001).
15. Соединенные с сетями ФВ системы
15.1. Бытовые ФВ системы
В большинстве развивающихся стран электросети могут пополняться энергией солнечных батарей или другими колеблющимися возобновляемыми источниками энергоснабжения в качестве резервного источника. Это имеет смысл для солнечных систем, использующих сеть в качестве гигантской 'батарейки'.
Сеть может поглотить и запасти избыточную энергию, которая не расходуется сразу (скажем, в солнечные летние дни, в послеобеденное время). Это позволит использовать ее другими клиентами и сократит количество энергии, которое придется производить другими способами. Ночью и в облачные дни, когда производство энергии недостаточно, сеть может обеспечить резервную энергию из этих источников.
Соединенные в сеть солнечные батареи называют коммутированными в сеть инверторами' (или 'синхронными инверторами'). Они преобразовывают постоянный ток в переменный, с напряжением и частотой, которая может быть принята сетью. При этом удается подсчитать 'дебет' и 'кредит', количество энергии, отданное сети (проданное) и взятое из сети (купленное).
В Великобритании потребности в электричестве типичной семьи составляют в настоящее время около 4000 kВт/час за год, но из них бóльшая часть используется для обогрева и других потребностей, которые могли бы быть обеспечены не электрическими формами энергии - например, газом. Потребности небольшой британской семьи в энергии, которую может дать только электричество (например, освещение, местные приборы - радио, телевидение, магнитофон и компьютеры), составляет около 1000 кВт/час за год.
Сколько солнечных батарей потребовалось бы в Великобритании, чтобы обеспечить искомые 1000 кВт/час за год?
Суммарная добавка энергии солнечными батареями зависит от вида модуля и других факторов. Эту добавку оценивают двумя способами:
- по пиковым показателям 'номинальной' энергии (kWh kWp-1 yr-1);
- ежегодное производство энергии на квадратный метр площади модуля (kWh m-2 yr-1).
Недавние британские испытания показали возможности модулей солнечных батарей в пиковом режиме только в режимах свыше 1000 kWh kWp-1 yr-1 и ниже 700 kWh kWp-1 yr-1. На квадратный метр модуля выработка электроэнергии составляет приблизительно выше 120 kWh m-2 yr-1 и ниже 22 kWh m-2 yr-1. Модели батарей, использованные для теста, были экспериментального типа, не похожего на существующие в практике, но с близкой к оптимуму ориентацией (вероятно, в сторону Солнца). Реально установленные в Великобритании солнечные батареи ежегодно поглощают около 750 кВт на пике потребления, если говорить о кристаллических устройствах, и немного больше, если говорить о других тонких модулях. Чтобы производить 1000 кВт за год, используя кристаллические модули, нужно установить батареи с пиковым потреблением при зарядке 1300 кВт, имеющие площадь поверхности около 9 м2.
Крыши многих британских домов могли бы приспособить под размещение солнечных батарей такого размера, и, как удачно складывается, половина британских крыш ориентированы на юг, что дает возможность использоваться их для сбора солнечной энергии. Конвенциональные модули солнечных батарей могут быть объединены между собой и с элементами крыш, где они могут заменить все или некоторые части крыш. Также создали «солнечный шифер», который выглядит как обычный кровельный материал.
В этом «солнечном доме» в Оксфорде, Великобритания, батареи, вырабатывающие 4 пиковых кВ энергии, сложенные из модулей монокристаллов, расположены бок о бок с солнечными водными нагревающими группами. Солнечные батареи обеспечивают все потребности дома, плюс маленький излишек используется для зарядки батарей маленького электромобиля.
В Германии правительство активно поощряет установку солнечных батарей на жилых домах развитие индустрии солнечных батарей. В Японии субсидируется установка десятков тысяч солнечных батарей преимущественно на жилых домах, а компания R&D, производящая батареи, субсидируется на долгосрочной основе. На конец мая 2002 года емкость всех установленных в Японии солнечных батарей достигла 600 МВт. Швейцария, Италия и Нидерланды также имеют существенные программы поддержки установки солнечных батарей.
Великобритания значительно отстала от других европейских стран в стимулировании развития солнечной индустрии. Однако в 2002 году британский Департамент Торговли и Промышленности запустил Программу большого внедрения фотовольтаики, в рамках которой к 2006 году на 3000 местных крыш и 140 больших нежилых зданиях установили солнечные батареи. И это в дополнение к начатой ранее программе установки солнечных батарей на крыши домов и больших модулей батарей на земле, в рамках которой батареи установили на крышах 500 жилых домов и 18 больших общественных зданий.
Маленький террасный дом в Ричмонде, Лондон, «солнечный шифер» с пиковой мощностью 1,3 кВт, полностью обеспечивает потребности в электроэнергии. На этот момент самое современное и высокоэффективное оборудование.
Наиболее развитый регион в Нидерландах, Нейланд, где в пригороде Амерсфурта установлены солнечные батареи с пиковой мощностью светопоглощения 1,3 кВт на крышах жилых домов, школ и общественных зданиях. Некоторые из этих батарей принадлежат местной электрической компании EN ECO.
В следующем посте поговорим про системы ФВ для нежилых зданий и крупные, интегрированные с сетями, солнечные поля.
Также рекомендую: Перспективы развития возобновляемой энергетики
.