1.1.2 Оценка степени повышения энергетической эффективности афэу при автоматическом слежении фотоэлектрических панелей за солнцем

Повышение эффективности солнечной энергоустановки за счет применения систем слежения за солнцем, возможна следующими способами:

1) ручная наводка на солнце;

2) пассивные системы, основанные на программировании алгоритма управления СБ;

3) активные системы, обеспечивающие постоянную ориентацию на солнце, которые в свою очередь делятся на однокоординатные и двухкоординатные (рисунок 1.16).

Рисунок 1.16 - А-Двухкоординатная, В и С-Однокоординатные вертикальная и горизонтальная системы слежения

На данном этапе развития солнечной энергетики наиболее пристальное внимание следует уделить последнему варианту, т.к. даже при самой эффективной стационарной установке СБ проигрыш в вырабатываемой мощности составляет до 50%, чем при непрерывном ориентировании на Солнце [43]. Следящая система обеспечивает постоянную ориентацию СБ на максимальный поток солнечной мощности, что обеспечивает равномерное генерирование электричества с утра до захода Солнца.

Основными факторами, которые снижают эффективность СБ при стационарном размещении являются:

1. Угол падения солнечных лучей на её поверхность СБ. При угле отличном от 90º доля поступившей солнечной мощности уменьшается на sin(α), где α   –угол падения солнечных лучей на поверхность СБ.

2. Увеличение коэффициента отражения от поверхности СБ.

Для оценки эффективности применения систем слежения проведем расчет вырабатываемой мощности СБ с использованием следующих моделей:

1. Определение мощности солнечного излучения приходящей на СБ, в зависимости от угла падения. В данной модели учитывается сезонность изменения высоты солнца, поглощение солнечного излучения атмосферой и коэффициент отражения от поверхности СБ.

2. Расчет вырабатываемой мощности СБ на основе приходящей солнечной мощности и доминирующих климатических факторов.

1.1.1

Характеристики и режимы эксплуатации солнечных батарей

Основное воздействие на вольт-амперные характеристики фотоэлементов оказывают освещенность и температура.

При интенсивности освещения, соответствующей солнечной, фото ЭДС преобразователей линейно падает при увеличении температуры с градиентом 1,5-2,5 мВ/К [1-3]. При изменении рабочей температуры от плюс 70 С до минус 30 С напряжение оптимальной рабочей точки кремниевой солнечной батареи увеличивается ориентировочно в 1,5 раза (напряжение фотоэлемента изменяется в диапазоне 0,5-0,75 В).

Освещенность панелей СБ падает при изменении ориентации по отношению к Солнцу, то есть при появлении угла a между солнечным вектором и вектором нормали к панелям СБ – . При угле a>180° и попадании в тень освещенность падает до нулевого значения. Пропорционально изменению освещенности изменяется и ток СБ .

Температура панелей СБ зависит от освещенности (определяется из классического соотношения Стефана-Больцмана) и длительности охлаждения. Изменение температуры панелей СБ ведет к смещению ВАХ вдоль оси напряжения. При этом ток СБ незначительно зависит от температуры.

Наиболее значительные изменения с ВАХ происходят в моменты выхода Солнца из-за облаков после длительного затенения панелей. Например в летнее время при средней температуре 20-25 градусов тепла и отсутствии ветра температура панелей солнечной батареи может повысится до 50-70 градусов. Изменение температуры зависит от ее конструкции и расположения. В этом случае напряжение холостого хода и оптимальной рабочей точки охлажденной СБ может уменьшится на 25%. Время прогрева панелей СБ зависит от конструкции самой СБ и, как правило, не превышает 10-20 минут.

Другими факторами, влияющими на ВАХ СБ и ведущими к ее деградации (постепенному изменению) являются радиационные воздействия, механические повреждения, термоциклирование (при полном и частичном затенении панелей), электризация и т.д.

Частичное затенение СБ ведет к уменьшению ее мощности, а также к возникновению высоких обратных напряжений на затененных и параллельно с ними соединенных фотопреобразователях, перегреву и, следовательно, деградации СБ [4]. Даже при полном устранении негативного влияния частичных затенений и электризации прогнозируемое уменьшение мощности СБ, используемых в космическом пространстве может достигать 15 –20 % к концу пятого года эксплуатации и 30 % после 10 лет работы СБ [5].

Основное уравнение солнечного фотоэлемента имеет вид [1, 6, 7]:

,

, (1.1)

.

Где: I_Н – ток нагрузки СЭ;

I_КЗ – фототок или ток короткого замыкания ФЭ;

I_S – обратный ток насыщения;

U – напряжение на нагрузке ФЭ;

e – заряд электрона;

к – постоянная Больцмана;

T – температура в градусах Кельвина.

Уравнению 1.1 соответствует эквивалентная идеализированная модель

солнечного элемента, приведенная на рисунке 1.1.

Источник тока создает ток фотонов I_КЗ, зависящий от плотности потока излучения. Вольт-амперная характеристика определяется величиной I_КЗ и плотностью тока I_Д, протекающего через идеализированный p-n-переход.

Вольт-амперная характеристика солнечной батареи формируется путем сложения ВАХ фотоэлементов [2]. Так как вольт-амперная характеристика ФЭ, построенная на основании основного уравнения (1.1), не обеспечивает требуемую точность и трудоемка для инженерных расчетов, то на практике используются и другие модели. На рисунке 1.2 приведена классификация существующих моделей солнечных фотоэлементов.

Модель солнечного фотоэлемента описывается либо аналитически, либо множеством дискретных точек вольт-амперной характеристики, которое можно экстраполировать для различных условий работы солнечного фотоэлемента (температура, освещенность и др.), если отсутствуют экспериментальные данные. Конструкции солнечных фотоэлементов предполагают, что p-n переход, последовательное, шунтирующее сопротивление, и другие элементы ФЭ распределены на относительно большой площади. Это приводит к появлению градиентов напряжения и переменных величин плотности тока. Существует множество моделей ФЭ с распределенными параметрами, но они не пригодны для практического применения. В инженерных расчетах более широкое применение получили модели с сосредоточенными параметрами [2].

Для реальных ФЭ в идеализированную эквивалентную схему ФЭ, приведенную на рисунке 1.1 добавляется последовательное сопротивление R_П, обусловленное омическим сопротивлением на лицевом контакте и сопротивлением полупроводника и шунтирующее сопротивление R_Ш, обусловленное токами утечки. Эквивалентная схема реального солнечного фотоэлемента приведена на рисунке 1.3 [7].

Модель 1.

(1.2)

где: I_КЗ – фототок или ток короткого замыкания СЭ;

I_s – обратный ток насыщения;

I_Н – ток нагрузки;

U – напряжение на СЭ;

R_П – последовательное сопротивление СЭ;

R_Ш – шунтирующие сопротивление;

T – температура в градусах Кельвина;

e – заряд электрона;

к – постоянная Больцмана;

А – коэффициент, полученный при сравнении теоретических

и экспериментальных кривых вольт-амперной характеристики.

Модель была получена из основного уравнения ФЭ добавлением трех дополнительных параметров: А, R_П и R_Ш (рисунок 1.3, рисунок 1.4). Данная модель солнечного элемента широко используется при анализе солнечных элементов и батарей, однако характеристики, полученные на основании данной модели, не обеспечивают необходимой точности во всем диапазоне изменения температуры и освещенности. По этой причине были разработаны более детальные модели солнечных элементов, рассмотренных ниже [2].

Модель 2.

(1.3)

Модель 3.

(1.4)

Модель 4.

Данная модель солнечного фотоэлемента предложена предприятием изготовителем солнечных батарей ОАО "Сатурн" (г. Краснодар) [8].

(1.5)

где: I_КЗ – ток короткого замыкания, А;

I_S – обратный ток насыщения, А;

β – коэффициент формы ВАХ, В^-1;

R_П – последовательное сопротивление ФП, Ом;

I_Н – ток нагрузки ФП, А;

U – ток нагрузки ФП, В.

Величины I_S, R_П, β определяются при известных значениях тока короткого замыкания I_КЗ, напряжения холостого хода U_ХХ и значениях тока и напряжения в оптимальной рабочей точке I_ОРТ, U_ОРТ (полученных прямыми измерениями), выполняются следующие соотношения:

;

(1.6)

Температурная зависимость характеристик ФЭ учитывается следующими выражениями:

(1.7)

где: S – площадь ФЭ;

K_Tuo  – температурный коэффициент по напряжению холостого хода;

K_Tio  – температурный коэффициент по току короткого замыкания;

K_Tum  – температурный коэффициент по напряжению в ОРТ;

K_Tpm – температурный коэффициент по мощности в ОРТ.

Модель 5

При инженерных расчетах удобно пользоваться математической моделью СБ, где ВАХ задана тремя характерными точками: напряжением холостого хода U_хх, током короткого замыкания I_кз, оптимальными значениями тока I_опт и напряжения U_опт [9, 10]. Уравнение ВАХ СБ при заданной температуре и освещенности имеет вид:

. (1.8)

При инженерных расчетах также удобно пользоваться характеристиками СБ, полученными экспериментально. На рисунке 1.7 представлены экспериментальные характеристики двух модулей ФЭ снятых ФГУП «НПО Прикладной механики им. М. Ф. Решетнева» (г. Железногорск) в условиях АМ0 (1360 Вт/м²) и T=28°C [11].

Рассмотренные модели ФЭ с сосредоточенными параметрами для постоянного тока являются безынерционными моделями. Любая модель ФЭ должна с достаточной точностью описывать ВАХ ФЭ в рассматриваемом диапазоне температуры, освещенности и степени деградации.

Рассматриваемый диапазон (температур, освещенности и т.д.) и достаточная точность для каждой конкретной задачи имеют свое значение. Под достаточной точностью подразумевается допущенная погрешность, которая не выходит за пределы конструктивного допуска.

Регуляторы и стабилизаторы систем электроснабжения являются импульсными устройствами. Их динамические характеристики зависят от импедансных частотных и переходных характеристик солнечных батарей. Эту зависимость необходимо учитывать при проектировании энергопреобразующей аппаратуры энергетических установок [6, 12-14].

В состав ФЭ кроме элементов определяющих наклон ВАХ на участке тока и напряжения R_Ш и R_П соответственно входят такие элементы как диффузионная CД, барьерная СБ емкости и частотная проводимость G_~ [2, 6, 7].

На рисунке 1.6 изображена эквивалентная схема фотоэлемента при малой величине переменного сигнала:

(1.9)

где: U₀ – постоянная составляющая;

U₁ – амплитудное значение переменной составляющей;

ω – круговая частота;

t – время;

.

Рисунок 1.6 Эквивалентная схема солнечного фотоэлемента при малой величине переменного сигнала Где: I_КЗ – фототок или ток короткого замыкания ФЭ; С_Д – диффузионная емкость; С_Б – барьерная емкость; G_~ – частотная проводимость; R_П – последовательное сопротивление; R_Ш – шунтирующие сопротивление

Диффузионная емкость С_Д обусловлена изменением распределения концентрации неосновных носителей заряда. Барьерная емкость С_Б – емкость p-n-перехода. При обратном смещении ФЭ преобладает барьерная емкость С_Б, при прямом смещении к барьерной емкости добавляется диффузионная С_Д [6, 7].

Суммарная емкость С_ФЭ фотоэлемента может быть рассчитана:

(1.10)

В свою очередь диффузионная емкость может быть рассчитана:

(1.11)

где: q – заряд электрона;

L_p – диффузионная длина носителей заряда (дырок) в n-области;

L_n – диффузионная длина носителей заряда (электронов) в p-области;

p_n – концентрация носителей заряда (дырок) в n-области p-n-перехода;

p_n – концентрация носителей заряда (электронов) в p-области p-n-перехода;

k – постоянная Больцмана;

T – температура.

Барьерная емкость может быть найдена из уравнения:

(1.12)

где: S – площадь p-n-перехода;

ε – диэлектрическая проницаемость материала использованного для изготовления солнечного элемента;

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

n_n – концентрация носителей заряда (электронов) в n-области солнечного элемента;

p_p – концентрация носителей заряда (дырок) в p-области солнечного элемента;

q – заряд электрона (1,609·10^-19 Кл);

φ_б – величина потенциального барьера на границе n- и p-областей.

Величина потенциального барьера может быть получена с помощью соотношения:

(1.13)

где: k – постоянная Больцмана (0,86·10^-4 эВ/град или 1,38·10^-23 Дж/град);

T – термодинамическая температура;

n_i – собственная проводимость материала использованного для изготовления солнечного элемента (для кремния 10¹⁰ см^-3).

В свою очередь концентрации носителей заряда можно вычислить по соотношениям, если известна удельная проводимость n- и p-областей:

(1.14)

где: ρ_n – удельное сопротивление n-области;

Рисунок 1.1 Эквивалентная идеализированная модель

солнечного фотоэлемента

I_КЗ

н

VD

ρ_p – удельное сопротивление n-области;

μ_n – подвижность носителей заряда (электронов) в n-области солнечного элемента;

μ_p – подвижность носителей заряда (дырок) в p-области солнечного элемента.

Частотная проводимость может быть рассчитана из уравнения:

(1.15)

где: D_p – коэффициент диффузии носителей заряда (дырок);

D_n – коэффициент диффузии носителей заряда (электронов);

L_p – диффузионная длина носителей заряда (дырок) в n-области;

L_n – диффузионная длина носителей заряда (электронов) в p-области.

Модели фотоэлементов

Аналитические

Экспериментальные

С распределенными параметрами

С сосредоточенными параметрами

Для постоянного тока

Для переменного тока

Значения С_Б, С_Д, G_~, зависят от температуры, свойств материала ФЭ и его рабочего напряжения U₀. Значение диффузионной емкости падает с увеличением частоты внешнего воздействия и при некоторой частоте становится равно 0 (вследствие накопления неосновных носителей), так что при высоких частотах остается только барьерная емкость С_Д. Вблизи точки короткого замыкания значение частотного сопротивления R_~ (величина обратная G_~) становится очень большим и дифференциальное сопротивление ФЭ по постоянному току R_Д определяется величиной R_Ш. Вблизи точки холостого хода R_~ становится небольшим и на дифференциальное сопротивление оказывает большое влияние R_П. Зависимость дифференциального сопротивления R_Д связана с частотным сопротивлением R_~ следующим уравнением:

(1.16)

На рисунке 1.7 приведена экспериментально снятая зависимость дифференциального сопротивления R_Д по постоянному току R_Д от напряжения на кремниевом ФЭ [2].

Полное выходное сопротивление (модуль комплексного сопротивления) и фазовый сдвиг определяются уравнениями:

(1.17)

(1.18)

где: u и i – напряжение и ток переменного сигнала;

R_Z, X_Z –    активная и реактивная составляющие полного сопротивления.

На рисунке 1.8 приведена экспериментальная зависимость полного выходного сопротивления от частоты для кремниевого ФЭ [2].

Рисунок 1.2 Классификация моделей фотоэлементов

Комплексное сопротивление ФЭ Z_ФЭ (рисунок 1.10) описывается уравнением:

(1.19)

Установлено, что на высоких частотах появляется паразитная индуктивность [2]. Особенно индуктивность проявляется, когда фотоэлементы распределены по поверхности большой площади. Источником паразитной индуктивности служит индуктивность соединительных проводов.

Подставив числовые значения величин входящих в формулы (1.9), (1.10), (1.13) получим выражения для вычисления значений С_Б, С_Д, G_~, для кремневого ФЭ (статическая модель 4):

(1.20)

Полученные числовые значения могут быть использованы при моделировании фотоэлементов.

Для получения модели солнечной батареи, соответствующей заданным техническим требованиям, необходимо учитывать, как входящие в состав солнечных фотоэлементов диффузионную и барьерную емкости, так и коммутационную схему солнечной батареи, и индуктивность соединительных проводов.

Рисунок 1.3 - Эквивалентная схема солнечного элемента

U

I

U_ХХ

U_ОРТ

I_КЗ

I_ОРТ

P_ОРТ

Рисунок 1.4 Вольт-амперная характеристика ФЭ

Для получения модели солнечной батареи в частотной области необходимо учитывать компоновку солнечной батареи. В конструкции солнечной батареи солнечные фотоэлементы складываются в отдельные модули. Для повышения надежности работы модулей солнечной батареи предпринимаются специальные меры, для этого используются блокирующие и шунтирующие диоды (рисунок 1.9), [2, 15, 16]. Блокирующие (изолирующие) диоды устанавливаются в электрическую цепь между солнечными фотоэлементами и выходными шинами. Они пропускают электрический ток от освещенных солнечных фотоэлементов к нагрузке и блокируют ток, идущий в обратном направлении, т.е. в случаях, когда напряжение какой либо части солнечной батареи (группы последовательно соединенных модулей) оказывается меньше выходного напряжения батареи в целом

Шунтирующие (байпасные) диоды соединяются параллельно с модулями солнечных фотоэлементов. Когда солнечные фотоэлементы освещены, на шунтирующие диоды подается обратное напряжение. В тот период, когда некоторые из солнечных фотоэлементов оказываются затененными, разрушенными или происходит разрыв электрической цепи, на шунтирующие диоды автоматически подается прямое напряжение. В результате выходной ток, оставшихся освещенными солнечных фотоэлементов, поступает к выходным шинам.

На рисунке 1.10 показан пример соединения системы проводников, предназначенной для распределения выходной мощности. Модули солнечных фотоэлементов соединены с токопроводящими шинами прямо на панели, чтобы уменьшить число проводников.

Паразитные параметры распределены по всей площади солнечной батареи. Аналитическое моделирование устройств с распределенными параметрами малопригодно для практического анализа работы [2, 12]. Поэтому выделим наиболее существенный паразитный параметр – индуктивность подводящих проводов. На рисунке 1.11 изображена линеаризованная модель солнечной батареи в частотной области, основанная на эквивалентной схеме солнечного фотоэлемента при малой величине переменного сигнала с учетом индуктивности подводящих проводов.

Рисунок 1.10 Пример компоновки солнечной батареи: 1 – крыло солнечной батареи;

2 – модули солнечных элементов; 3 – солнечные батареи; 4 – токопроводящие шины

Комплексное сопротивление солнечной батареи Z_СБ (рисунок 1.11) описывается уравнением:

(1.21)

Основное отличие линеаризованной модели солнечной батареи в частотной области от модели ФЭ (№4) является добавление паразитной индуктивности, которую необходимо учитывать при проектировании систем электроснабжения.

Рисунок 1.11 Эквивалентная схема СБ при малой величине переменного сигнала,

где: I_КЗ – ток короткого замыкания СБ; С_Д – диффузионная емкость; С_Б – барьерная емкость СБ; G_~ – частотная проводимость СБ; R_П – последовательное сопротивление СБ; R_Ш – шунтирующие сопротивление СБ; L_ПР – индуктивность подводящих проводов СБ

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Преобразование энергии в фотоэлектрическом преобразователе (ФЭП) основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

· отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя;

· прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём;

· рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов;

U, В

I, A

Рисунок 1.5 - Экспериментальные характеристики модулей ФЭ

· рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП;

· внутренним сопротивлением преобразователя;

· и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

· использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

· направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

· переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

· оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

G_~

· применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;

· разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

· создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удается добитваться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

На солнечных электростанциях можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

· высокая надёжность при длительном (25-30 лет) ресурсе работы;

· высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;

· приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;

· минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;

· удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания солнечных электростанций количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например, за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например, на основе ленточной технологии, и создания развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Фотоэлектрические преобразователи обладают значительными потенциальными преимуществами:

- не имеют движущихся частей, что значительно снижает стоимость обслуживания;

- срок службы будет достигать, вероятно, 100 лет при незначительном снижении эксплуатационных характеристик (проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах);

- не требуют высокой квалификации персонала;

- эффективно используют как прямое так и рассеянное (диффузное) излучение;

- пригодны для создания установок практически любой мощности.

Модульный тип конструкции позволяет создавать установки с различными уровнями напряжения и практически любой мощности.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СБ считается кремний, Cu(In,Ga)Se2, поэтому солнечные батареи, представленные на рынке, можно разделить по типу фотоэлементов на две группы: на основе кристаллического и аморфного кремния.

Кристаллический фотоэлемент – это полупроводниковая структура, которая формируется на поверхности кристалла кремния, используя его материал для построения производящего электричество p-n перехода.

Аморфный фотоэлемент представляет собой пленку кремния и других элементов осажденную на подложку (например, стальную фольгу). В результате такого последовательного осаждения создаются слои, формирующие p-n переходы, вырабатывающие электрический ток.

Особенности этих типов ФЭ, с точки зрения потребителя, приведены в таблице.

Параметр

Кристалл

Аморфный

КПД

9…14%

6…8%           1)

Выходное напряжение одного ФЭ 2)

Около 0.5В

Около 1.7В

Спектр макс. чувствительности

Ближе к красному краю

Ближе к ультрафиолету

Гибкость

Хрупкие

Могут гнуться, зависит от подложки

Надежность в экстремальных условиях

Могут быть легко сломаны, требуют механической защиты

Весьма устойчивы к механическим воздействиям

Герметичность 3)

Герметичны

Герметичны

Долговечность

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 В 10-1 100 101 102 RД, Ом UХХ Рисунок 1.7 Зависимость дифференциального сопротивления ФЭ Почти "вечные", снижение эффективности в несколько процентов за годы эксплуатации.

Незначительно "выгорают" на солнце (приблизительно до 4% за первые 4 года непрерывного лежания на солнце. Это относится к солнечным батареям компаний SanCharger и "Квант", многие дешевые китайские поделки "умирают" за несколько лет.)

Стоимость 4)

Дешевле

Дороже

Вес 5)

Тяжелее

Легче

Примечание:

1) Меньший КПД влечет необходимость использовать солнечные батареи большей площади.

2) Более высокое выходное напряжение единичного фотоэлемента позволяет строить солнечные батареи из меньшего их числа, следовательно, меньшего количества соединений, что повышает общую надежность батареи. (Например, для получения на выходе 14В необходимо соединить последовательно около 30 кристаллических ФЭ, и всего 8шт аморфных)

3) При "нормальном", заводском  изготовлении, все ФЭ ламинируют в пластик (типа полиэтилена) из которого выходят только выходные проводники, поэтому их практически всегда можно принимать герметичными, и далее отдельно об этом не упоминать.

4) Считается, что аморфный кремний обеспечивает получение более дешевых фотоэлементов, однако на сегодняшний день кристаллы все же дешевле. Хотя, эта разница все больше сокращается. Реальное положение дел с ценами можно проследить в итоговой таблице в конце статьи.

5) В реальности, вес маломощной батареи с учетом необходимой механической защиты ФЭ и его площади получается практически одинаковым для аморфных и кристаллических батарей.

В лабораторных условиях получены солнечные элементы с КПД 44 %. В 2007 году появилась информация об изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться в виду своей высокой себестоимости, над этой проблемой и работают многие учёные.

Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %

Кремниевые

Si (кристаллический)

24,7

Si (поликристаллический)

20,3

Si (тонкопленочная передача)

16,6

Si (тонкопленочный субмодуль)

10,4

III-V

GaAs (кристаллический)

25,1

100 101 102 103 104 105 f, Гц 0 4 8 12 |Z|, Ом Рисунок 1.8 Зависимость модуля полного выходного сопротивления ФЭ 106 16 18 GaAs (тонкопленочный)

24,5

GaAs (поликристаллический)

18,2

InP (кристаллический)

21,9

Тонкие пленки халькогенидов

CIGS (фотоэлемент)

19,9

CIGS (субмодуль)

16,6

CdTe (фотоэлемент)

16,5

Аморфный/Нанокристаллический кремний

Si (аморфный)

9,5

Si (нанокристаллический)

10,1

Фотохимические

На базе органических красителей

10,4

На базе органических красителей (субмодуль)

7,9

Органические

Органический полимер

5,15

Многослойные

GaInP/GaAs/Ge

32,0

GaInP/GaAs

30,3

GaAs/CIS (тонкопленочный)

25,8

a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)

11,7

Представленные на рынке солнечные батареи можно условно поделить на несколько классов:

- маломощные (доли Ватта) солнечные батареи, используемые для зарядки сотовых телефонов и другой подобной электроники. Они характеризуются малой площадью фотопластин и относительно высокой ценой. Это скорее игрушка для любителей экзотики; - универсальные солнечные батареи, изготовленные для питания широкого круга потребителей в полевых условиях. Импортные отличаются весьма неплохим качеством изготовления и дизайном, наличием дополнительных переходников, часто приемлемой ценой. Отечественные могут быть как заводского изготовления так и полусерийные. Цена и качество может варьировать в весьма широких пределах. Поэтому при покупке нужно рассматривать каждый вариант отдельно. Этот класс солнечных батарей зачастую наиболее приемлем для туристов;

- панели солнечных элементов. Обычно это набор фотопластин, закрепленных на подложке. Фактически, они являются заготовкой для построения более «продвинутых» и удобных для конечного потребителя устройств на их основе.

Рисунок 1.9 Солнечная батарея: 1 – модули солнечных элементов;

2 – шунтирующие диоды; 3 – блокирующие диоды

Особое место в классе солнечных батарей занимают двухсторонние солнечные элементы. Они ламинируются в стекло с низким содержанием железа при помощи этиленвинилацетатной (EVA) пленки на передней поверхности и полиэтиленэтерофтолата (PET) на задней поверхности. Каркас изготавливается из анодированного алюминиевого сплава.

Тыльная сторона модуля получает энергию, отраженную от поверхности воды или земли (например, от светлого песка или снега). Такие модули были применены при строительстве солнечной фотоэлектрической станции мощностью 10 кВт в Афинах- Греция, а также в Израиле, Испании, Мексике, Германии, ЮАР и других странах. В России установлены фотоэлектрические станции на удаленных ретрансляторах МТС, Билайн на Северном Кавказе.

За счет использования модулей с двухсторонней чувствительностью можно получить примерно на 15-20% больше энергии с заданной площади модуля. Это ведет к меньшей материалоемкости, как фотоэлектрической батареи, так и меньшей стоимости системы в целом.

Однако более важным преимуществом таких модулей является практическая прозрачность для инфракрасного излучения. Вследствие этого, двусторонние модули меньше нагреваются в реальных условиях и, следовательно, имеют меньшие тепловые потери по сравнению с односторонними модулями. Поэтому, в отличие от модулей других производителей, двусторонние модули производства "Солнечного ветра" в реальных условиях выдают Большую мощность за счет меньшего нагрева (обычно в летнее время их температура не превышает 40-50 градусов против 50-60 градусов Цельсия у обычных модулей).

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 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.

Напряжение на единичном кристалле кремния солнечной батареи составляет обычно около 0,5 вольт. Для генерирования большего напряжения используют соединенные между собой последовательно ячейки.

Наибольшее распространение получили солнечные батареи из кремниевых элементов. Пластинки кремния (фотоэлектрические преобразователи - ФЭПы) соединяются последовательно плоскими проводниками, обычно цепочками по 36 или 72 шт. В качестве защиты от внешних условий применяется специальное просветлённое с антибликовой поверхностью закалённое стекло. Элементы герметизируются для защиты от влаги. Стекло обрамляется в рамку из анодированного алюминиевого профиля.

Обычно батарея образуется посредством соединения тридцати шести элементов, которые соединяются в модуль.

Полученную конструкцию заключают в раму из алюминия. Мощность модуля колеблется в диапазоне от 10 до 300 Вт. Следует упомянуть и о электрических параметрах модулей. Они определяется вольтамперной характеристикой при соблюдении стандартных условий, то есть мощность солнечной энергии составляет около тысячи Вт на квадратный метр. Когда говорят о номинальной мощности модуля, это означает, что подразумевается максимальная мощность при упомянутых стандартных условиях.

В середине лета, в июле, световой период, в который батарея эффективно отдаёт энергию, обычно длится не более 7-9 часов. Наиболее эффективное время для работы солнечной батареи с 10 до 17 часов. После этого времени ток  солнечных батарей падает. Падает ток, генерируемый солнечной батареей  в облачную погоду.

Для увеличения напряжения  солнечной батареи,  можно включать последовательно, сколько угодное большое количество солнечных элементов.  Напряжение такой солнечной батареи будет равно сумме напряжений на всех составляющих ее солнечных элементах. При достаточном количестве солнечных элементов можно создать солнечную батарею с  практически любыми напряжением и током, и  способную обеспечить зарядку любого типа аккумуляторов.

Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (их кпд достигает 10-20%), а чем выше кпд, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, которая даже в малой энергетике составляет десятки квадратных метров.