Как работает солнечная фотоэлектрическая система?
Большая величина тепловой энергии Солнца делает его весьма привлекательным источником энергии. Эта энергия может быть непосредственно преобразована в электричество постоянного тока и тепловую энергию. Солнечная энергия — это чистый, обильный и неисчерпаемый возобновляемый источник энергии, доступный на Земле. Солнечные панели или солнечные фотоэлектрические системы, использующие панели (SPV-панели), располагаются на крышах домов или в солнечных фермах таким образом, что солнечное излучение падает на солнечные фотоэлектрические панели, способствуя реакции, которая преобразует световое излучение солнца в электричество.
Солнечная энергия может использоваться для питания одного здания или в промышленных масштабах. При использовании в небольших масштабах дополнительная электроэнергия может храниться в аккумуляторе или поступать в электросеть. Солнечная энергия безгранична, и единственным ограничением является наша способность выгодно преобразовывать ее в электричество. Крошечные солнечные фотоэлектрические панели питают калькуляторы, игрушки и телефонные будки.
Определение солнечной фотоэлектрической системы
Солнечная фотоэлектрическая система преобразует солнечную энергию в электрическую так же, как аккумулятор преобразует химическую энергию в электрическую, или автомобильный двигатель преобразует химическую энергию в механическую, или электродвигатель (в электромобиле, EV) преобразует электрическую энергию в механическую. SPV-элемент преобразует солнечную энергию в электрическую. Солнечный элемент не производит электричество, используя солнечное тепло, но падающие световые лучи взаимодействуют с полупроводниковыми материалами для производства электроэнергии.
Электричество можно определить как поток электронов. Как солнечные фотоэлектрические системы создают этот поток? Как правило, для перемещения электронов от ядра атомов требуется энергия. Валентные электроны (то есть электроны во внешней оболочке атома) имеют самые высокие энергетические уровни среди электронов, которые все еще связаны со своими родительскими атомами (поскольку они находятся далеко от ядра, по сравнению с электронами во внутренней оболочке). Для полного удаления электрона из атома требуется дополнительная энергия, поэтому свободные электроны имеют более высокие энергетические уровни, чем валентные электроны.
На рисунке выше изображена диаграмма энергетической полосы, на которой показаны два энергетических уровня — валентная полоса и полоса проводимости. Валентные электроны расположены в валентной полосе, а свободные электроны — в более высокой полосе проводимости. В полупроводниках существует зазор между валентной полосой и полосой проводимости. Поэтому для перехода валентных электронов в полосу проводимости необходимо подвести энергию. Это означает, что для удаления валентных электронов из родительских атомов в свободные электроны необходимо подвести энергию.
Что такое солнечные фотоэлектрические системы?
Когда чистый кремний находится при температуре 0 K (0 градусов Кельвина равно — 273°C), все места во внешних электронных оболочках заняты благодаря ковалентным связям между атомами, и свободных электронов нет. Поэтому валентная полоса полностью заполнена, а полоса проводимости полностью пуста. Хотя валентные электроны обладают самой высокой энергией, для их удаления из атома требуется наименьшая энергия (энергия ионизации). Это можно проиллюстрировать на примере атома свинца. Здесь энергия ионизации (газообразного атома) для удаления первого электрона составляет 716 кДж/моль, а энергия, необходимая для второго электрона, равна 1450 кДж/моль. Эквивалентные значения для Si составляют 786 и 1577 кДж/моль.
Каждый электрон, переходящий в полосу проводимости, оставляет вакантное место(так называемую дырку) в валентной связи. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочной пары. Дырка в кристалле кремния может, подобно свободному электрону, перемещаться по кристаллу. Перемещение дырки происходит следующим образом: Электрон из связи вблизи дырки может легко перескочить в дырку, оставив после себя неполную связь, т.е. новую дырку. Это происходит быстро и часто — электроны из близлежащих связей меняются позициями с дырками, беспорядочно и неустойчиво перемещаясь по всему твердому телу; чем выше температура материала, тем сильнее перемешиваются электроны и дырки и тем больше они движутся.
Генерация электронов и дырок под действием света является центральным процессом в общем фотоэлектрическом эффекте, но сама по себе она не производит ток. Если бы в солнечном элементе не было других механизмов, генерируемые светом электроны и дырки некоторое время беспорядочно блуждали бы по кристаллу, а затем теряли бы свою энергию термически, возвращаясь в валентные позиции. Чтобы использовать электроны и дырки для создания электрической силы и тока, необходим другой механизм — встроенный «потенциальный» барьер*. Фотоэлектрический элемент состоит из двух тонких пластин кремния, соединенных вместе и прикрепленных к металлическим проводам.
Во время изготовления слитков кремний предварительно легируется перед нарезкой и отправкой. Легирование — это не что иное, как добавление примесей в кристаллическую кремниевую пластину для придания ей электропроводности. Кремний имеет 4 электрона во внешней оболочке. Эти положительные (p-типа) легирующие материалы неизменно являются бором, который имеет 3 электрона (трехвалентный), называется положительным носителем (Акцептор) Допант. Отрицательным допантом (n-типа) является фосфор, который имеет 5 электронов (пятивалентный) и называется допантомс отрицательным носителем (донором).
Фотоэлектрический элемент содержит барьерный слой, который создается противоположными электрическими зарядами, сталкивающимися друг с другом по обе стороны от разделительной линии. Этот потенциальный барьер избирательно разделяет генерируемые светом электроны и дырки, направляя больше электронов на одну сторону клетки, а больше дырок — на другую. Разделенные таким образом, электроны и дырки имеют меньше шансов снова соединиться друг с другом и потерять свою электрическую энергию. Такое разделение зарядов создает разность напряжений на обоих концах ячейки, которая может быть использована для управления электрическим током во внешней цепи.
Когда фотоэлектрический элемент подвергается воздействию солнечного света, пучки световой энергии, известные как фотоны, могут выбить часть электронов из нижнего P-слоя с их орбит через электрическое поле, созданное на P-N-переходе, и попасть в N-слой. В N-слое, с его избытком электронов, развивается поток избытка электронов, который создает электрическую силу, отталкивающую дополнительные электроны. Эти избыточные электроны, в свою очередь, выталкиваются в металлическую проволоку обратно к нижнему P-слою, который потерял часть своих электронов. Таким образом, электрический ток будет протекать до тех пор, пока солнечные лучи не попадут на панели.
Солнечная фотоэлектрическая система может быть лишь незначительно энергоэффективной
Современные фотоэлектрические элементы солнечных систем преобразуют в электрическую энергию только от 10 до 14 процентов лучистой энергии. С другой стороны, электростанции, работающие на ископаемом топливе, преобразуют 30-40% химической энергии своего топлива в электрическую энергию. Эффективность преобразования электрохимических источников энергии намного выше — до 90-95%.
Что такое эффективность преобразования солнечной фотоэлектрической системы?
Эффективность устройства = выход полезной энергии / входная энергия
В случае солнечной фотоэлектрической системы КПД составляет около 15%, что означает, что если мы имеем поверхность элемента площадью 1м2, то на каждые 100Вт/м2 падающего излучения в цепь будет подаваться только 15 Вт.
КПД SPV-элемента = 15Вт/м2/ 100Вт/м2 = 15 %.
В случае свинцово-кислотных батарей можно выделить два типа эффективности — кулоновскую (или Ah или ампер-час) и энергетическую (или Wh или ватт-час). Во время процесса зарядки, преобразующего электрическую энергию в химическую, КПД Ah составляет около 90 %, а КПД энергии — около 75 %.
Принцип работы солнечной фотоэлектрической системы
Производство элементов солнечных фотоэлектрических систем
Сырьем служит второй по распространенности кварц (песок). Кварц — широко распространенный минерал. Он имеет множество разновидностей, которые состоят в основном из кремнезема или диоксида кремния (SiO2) с небольшими долями примесей, таких как литий, натрий, калий и титан.
Процесс изготовления солнечного элемента из кремниевой пластины включает в себя три типа производств
a.) Промышленность, производящая солнечные батареи из кварца
b.) Промышленность, производящая кремниевые пластины из кварца и
c.) Промышленность, производящая солнечные батареи из кремниевых пластин
Как изготавливаются кремниевые пластины в солнечной фотоэлектрической системе?
На первом этапе чистый кремний получают путем восстановления и очистки чистого диоксида кремния в кварце. Процесс Чохральского (Cz): В настоящее время фотоэлектрическая промышленность использует два основных способа преобразования сырого поликремния в готовые пластины: монокристаллический способ с использованием процесса Чохральского (Cz) и мультикристаллический способ с использованием процесса направленной кристаллизации (DS). Основные различия между этими двумя подходами заключаются в способе плавления поликремния, его формировании в слиток, размере слитка, а также в том, как слитки формируются в кирпичи для нарезки пластин.
- Процесс Чохральского (Cz): По методу Чеса получается цилиндрический слиток, за которым следует несколько этапов ленточной и проволочной распиловки для получения пластин. Для типичного тигля диаметром 24 дюйма с начальным весом шихты около 180 кг требуется около 35 часов для расплавления поликремния в тигле Cz, погружения затравочного кристалла в расплав и извлечения шейки, плеча, тела и концевого конуса. В результате получается цилиндрический слиток Cz массой 150-200 кг. Чтобы оставить металлы и другие загрязнения, необходимо оставить в тигле 2-4 кг горшечного лома.
- Процесс направленного затвердевания (DS): Мультикристаллические пластины DS изготавливаются из более коротких, но гораздо более широких и тяжелых слитков — около 800 кг, которые приобретают форму куба, когда поликремний расплавляется в кварцевом тигле. После того, как поликремний расплавлен, процесс DS индуцируется путем создания температурного градиента, при котором нижняя поверхность тигля охлаждается с определенной скоростью. Как и в случае со слитками Cz, части слитков DS, полученные в процессе обрезки и квадратизации, могут быть переплавлены для последующих поколений слитков. Однако в случае слитков DS самая верхняя часть обычно не перерабатывается из-за высокой концентрации примесей.
Поскольку процесс начинается с плавления в тигле кубической формы, слитки и пластины DS, естественно, имеют квадратную форму, что позволяет легко создавать многокристаллические ячейки, которые могут занимать практически всю площадь готового модуля. Около 76 часов требуется для производства типичного слитка кремния DS, который распиливается на 36 кирпичей из выреза 6 x 6. Типичный готовый кирпич имеет полное квадратное сечение 156,75 мм x 156,75 мм (площадь поверхности 246 см2) и высоту 286 мм, что позволяет получить 1040 пластин на кирпич при толщине пластин 180 мкм и потере пропила 95 мкм на пластину. Таким образом, из одного слитка DS производится 35 000-40 000 пластин.
Библиография
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. Basic PV Principles and Methods NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. Вудхаус, Майкл. Бриттани Смит, Ашвин Рамдас и Роберт Марголис. 2019. Затраты на производство фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния и устойчивое ценообразование: Контрольные показатели за 1 полугодие 2018 года и дорожная карта по снижению затрат. Голден, штат Калифорния: Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. стр. 15 и далее
Различные типы солнечных фотоэлектрических систем
Поскольку цены на ископаемое топливо продолжают расти, а стандарты выбросов продолжают ужесточаться по всему миру, спрос на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и ветрогенерация, а также решения для хранения энергии будет расти.
Термин «солнечный» относится к солнцу. Солнечные батареи — это батареи, которые используются для хранения энергии, преобразованной из солнечного излучения или световой энергии в электричество с помощью солнечных элементов (также называемых солнечными фотоэлектрическими элементами, или фотоэлементами) посредством фотоэлектрического эффекта. В них не происходит химических реакций, как в аккумуляторах. Фотоэлемент состоит из полупроводникового материала, который сочетает в себе некоторые свойства металлов и некоторые свойства изоляторов, что делает его способным преобразовывать свет в электричество.
Когда свет поглощается полупроводником, фотоны света могут передавать свою энергию электронам, генерируя поток электронов. Что такое электрический ток? Это поток электронов. Этот ток вытекает из полупроводника на выходные выводы. Эти провода подключаются к батарее или сети через некоторые электронные схемы и инвертор для управления и генерации переменного тока.
Методы использования энергии солнечной фотоэлектрической системы
Автономная (или внесетевая) система SPV:
Здесь солнечная энергия используется как для отдельного дома, так и для промышленного предприятия или небольшого населенного пункта. Энергия, вырабатываемая солнечными панелями, передается в аккумулятор через электронный контроллер, а аккумуляторы накапливают энергию. Постоянный ток от батареи инвертируется в переменный; электрические нагрузки получают электроэнергию от этих батарей. Как правило, для солнечной системы на крыше мощностью 1 кВт требуется 10 кв.м. метров свободной от тени площади. Фактический размер, однако, зависит от местных факторов солнечной радиации и погодных условий, эффективности солнечного модуля, формы крыши и т.д.
Солнечная фотоэлектрическая система с прямым подключением к сети (или система с подключением к сети)
В прямой системе с привязкой к сети (или Grid-tied system) панели SPV подключаются к линиям распределения электроэнергии через контроллер и счетчик энергии. Здесь
батареи не используются.
Электроэнергия используется в первую очередь для питания насущных потребностей дома. Когда эти потребности удовлетворены, дополнительная электроэнергия отправляется в сеть через счетчик электроэнергии. При подключении солнечной системы к электросети, когда дому требуется больше энергии, чем вырабатывают солнечные панели, то остаток необходимой электроэнергии поступает из электросети.
Так, например, если электрическая нагрузка в доме потребляет 20 ампер тока, а солнечная энергия может генерировать только 12 ампер, то из сети будет потребляться 8 ампер. Очевидно, что ночью все потребности в электроэнергии обеспечиваются сетью, поскольку при использовании системы с подключением к сети вы не накапливаете энергию, вырабатываемую в течение дня.
Недостатком этого типа системы является то, что при отключении электроэнергии отключается и система. Это делается из соображений безопасности, поскольку обходчики, работающие на линиях электропередачи, должны знать, что нет источника, питающего сеть. Инверторы, работающие от сети, должны автоматически отключаться, когда они не чувствуют сеть. Это означает, что вы не можете обеспечить подачу электроэнергии во время отключения или чрезвычайной ситуации и не можете накапливать энергию для последующего использования. Вы также не можете контролировать время использования энергии из вашей системы, например, в период пикового спроса.
Интерактивная или привязанная к сети (гибридная) солнечная фотоэлектрическая система
Существует еще одна система, при которой мы можем поставлять энергию в энергосистему. Мы можем зарабатывать деньги или получать обратно поставленную нами энергию, когда это необходимо.
Солнечная фотоэлектрическая система без аккумуляторной батареи - интерактивная или привязанная к сети (гибридная)
Эти SPV-системы вырабатывают солнечную электроэнергию и питают внутренние нагрузки и местную распределительную систему. Этот тип компонентов системы SPV является (a) панель SPV и (b) инвертор. Подключенная к сети система похожа на обычную систему с электрическим питанием, за исключением того, что часть или вся электроэнергия поступает от солнца. Недостатком этих систем без аккумуляторных батарей является то, что они не имеют источника питания во время отключения электроэнергии.
Преимущества привязанной к сети (гибридной) солнечной фотоэлектрической системы без аккумуляторной батареи
Это наименее дорогостоящая система с незначительным техническим обслуживанием
Если система вырабатывает больше энергии, чем требуется в доме, то дополнительная энергия обменивается с коммунальной сетью
Системы с прямым подключением к сети имеют более высокий КПД, поскольку в них не задействованы батареи.
Более высокое напряжение означает меньший размер провода.
Приблизительная стоимость подключенных к сети крышных солнечных систем в 2018-19 финансовом году варьировалась от 53 рупий за ватт до 60 рупий за ватт.
Интерактивная или привязанная к сети (гибридная) солнечная фотоэлектрическая система с аккумуляторной батареей
Этот тип солнечной фотоэлектрической системы подключен к сети и может претендовать на государственные льготы, одновременно снижая ваши счета за коммунальные услуги. В то же время, в случае отключения электроэнергии эта система имеет резервное питание. Системы, работающие от аккумуляторов, обеспечивают питание во время отключения, и энергия может быть сохранена для использования в чрезвычайной ситуации. Нагрузки первой необходимости, такие как освещение и бытовая техника, также имеют резервное питание при отключении электроэнергии. Можно также использовать энергию в периоды пикового спроса, поскольку она была запасена в аккумуляторе для последующего использования.
Основными недостатками этой солнечной фотоэлектрической системы являются более высокая стоимость по сравнению с базовыми системами, работающими от сети, и меньшая эффективность. Есть также дополнительные компоненты. Для защиты батарей также требуется контроллер заряда. Также должна быть подпанель, содержащая важные загрузки, которые вы хотите резервировать. Не все нагрузки, которые дом использует от сети, резервируются системой. Важные нагрузки, которые необходимы при отключении электроэнергии. Они изолированы в резервную субпанель.
