Застосування фотоелементів

Сонячні фотоелементи є цілком реальною технічно і економічно вигідною альтернативою викопному паливу у ряді застосувань. Сонячний елемент може безпосередньо перетворювати сонячне випромінювання в електрику без застосування будь-яких рухомих механізмів. Завдяки цьому, термін служби сонячних генераторів досить тривалий. Фотоелектричні системи добре зарекомендували себе з самого початку промислового застосування фотоелементів. Наприклад, фотоелементи служать основним джерелом живлення для супутників на навколоземній орбіті з 1960-х років. У віддалених районах фотоелементи обслуговують автономні енергоустановки з 1970-х. У 1980-х роках виробники серійних споживчих товарів почали вбудовувати фотоелементи в багато пристрою: від годинників і калькуляторів до музичної апаратури.У 1990-х підприємства енергопостачання почали застосовувати фотоелементи для забезпечення дрібних потреб користувачів. Фотоелектричні установки качають воду, забезпечують нічне освітлення, заряджають акумулятори, подають електрику в загальну енергосистему і т. д. Вони працюють в будь-яку погоду. При мінливій хмарності вони досягають 80% своєї потенційної продуктивності; в туманну погоду - близько 50%, і навіть при суцільній хмарності вони виробляють до 30% енергії. У наш час можна знайти не тільки фотоелектричні панелі. Різні фірми пропонують фотоелементи у вигляді легких, еластичних і міцних покрівельних плит, а також несучих стін-перегородок для фасадних робіт. Ці новинки роблять фотоелементи економічно привабливішими при включенні їх до складу будівельних матеріалів. У віддалених районах фотоелектричні установки є найбільш рентабельним, надійним і довговічним джерелом енергії. У деяких регіонах фотоелементи підвищують конкурентоспроможність систем, підключених до електромережі. Однак головне - що і у віддалених, і в приєднаних до електромереж місцевостях фотоелектричні системи виробляють чисту енергію, отримання якої не супроводжується забрудненням навколишнього середовища, на відміну від звичних електростанцій. Насосні установки, що працюють на сонячних фотоелементах, ефективні та економічно вигідні в умовах практично будь-якого застосування водних насосів. Енергетичні компанії США виявили, що економічніше використовувати водяні насоси на сонячній батареї, ніж обслуговувати розподільні електричні лінії, що ведуть до віддалених насосів. Деякі комунальні підприємства пропонують насосні установки на фотоелементах для виконання заявок клієнтів. У сільських районах знаходиться і інше застосування фотоелектричним системам - зарядка і освітлення електричних огорож, забезпечення циркуляції води, вентиляції, світла і кондиціонування повітря в теплицях і гідропонних спорудах. Фотоелектричні модулі забезпечували електрикою повітряну кулю "Breitling Orbiter 3" під час його безпосадочного польоту навколо земної кулі. Протягом трьох тижнів в березні 1999 р. все устаткування на борту повітряної кулі живилося від 20 модулів, підвішених під кошиком. Кожен модуль був нахилений так, щоб давати рівномірний струм під час руху і заряджати п'ять акумуляторів для навігаційних приладів, живити систему супутникового зв'язку, забезпечувати освітлення і нагрівання води. Всі модулі відмінно працювали впродовж всієї подорожі. Фотоелементи з успіхом застосовуються для електрифікації сіл. У наш час два мільярди людей у ​​всьому світі живуть без електрики. Велика частина з них - у країнах, що розвиваються, де 75% населення не мають доступу до електроенергії. Віддалені села часто не підключені до мережі. Досвід показує, що фотоелементи служать економічно вигідним джерелом електрики для основних потреб, таких як: освітлення; водозабір; засоби зв'язку; медичні установи; місцевий бізнес. Ті, у кого немає доступу до електроенергії з мережі, часто користуються викопними видами палива - гасом, дизельним паливом. З його використанням пов'язаний ряд проблем: Імпорт викопного палива виснажує запас конвертованої валюти в країні. Транспортування палива ускладнюється відсутністю нормальної інфраструктури. Обслуговування та ремонт генератора проблематичний через брак запасних частин. Генератор забруднює навколишнє середовище вихлопами і створює сильний шум. Електричне освітлення за допомогою фотоелементів більш ефективно, ніж гасові лампи, а установка фотоелектричної системи зазвичай коштує дешевше, ніж продовження електромережі. Більш того, багато що розвиваються розташовані в регіонах з високим рівнем сонячної радіації, тобто в достатку своєму розпорядженні безкоштовним джерелом енергії круглий рік. Виробництво "сонячної електрики" просто і надійно, що доводить досвід експлуатації десятків тисяч фотоелектричних систем у всьому світі. У найближчі десятиліття значна частина світового населення познайомиться з фотоелектричними системами. Завдяки їм зникне традиційна необхідність спорудження великих дорогих електростанцій і розподільних систем. У міру того, як вартість фотоелементів знижуватиметься, а технологія - удосконалюватися, відкриється декілька потенційно величезних ринків фотоелементів. Наприклад, фотоелементи, вбудовані в будматеріали, здійснюватимуть вентиляцію і освітлення будинків. Споживчі товари - від ручного інструменту до автомобілів - виграють як від використання компонентів, що містять фотоелектричні компоненти. Комунальні підприємства також зможуть знаходити все нові способи застосування фотоелементів для задоволення потреб населення. Європейський Союз поставив собі за мету подвоїти частку поновлюваних джерел енергії до 2010 р. Одним з важливих компонентів є виробництві 1 млн фотоелектричних систем (500000 вбудованих в дахи будівель і експорт 500000 сільських систем) загальною встановленою потужністю 1 ГВт. Фірма "BP Amoco" (один зі світових лідерів продажів нафтопродуктів) збирається використовувати сонячну енергію на 200 своїх нових станціях обслуговування в Британії, Австралії, Німеччини, Австрії, Швейцарії, Нідерландах, Японії, Португалії, Іспанії, Франції та США. Програма вартістю 50 млн доларів включає в себе застосування 400 сонячних панелей, загальною потужністю 3,5 МВт і зниження викидів вуглекислого газу на 3500 тонн щорічно. Завдяки цьому проекту "BP Amoco" стане одним з найбільших у світі споживачів сонячної електрики, а також одним з найбільших виробників сонячних елементів і модулів. Сонячні панелі вироблятимуть більше електрики, ніж потрібно для освітлення і водяних насосів, тому система буде підключена до мережі. Днем надлишок електроенергії буде подаватися в мережу, а вночі з неї поповнюватиметься недолік енергії. Світовий ринок фотоелементів до 2010 року повинен скласти 1000 МВт, а до 2050 р. - 5 млн МВт, якщо вірити прогнозу президента компанії "BP Solar". ТЕХНОЛОГІЯ Сонячні фотоелектричні системи прості в обігу і не мають рухомих механізмів, проте самі фотоелементи містять складні напівпровідникові пристрої, аналогічні використовуваним для виробництва інтегральних схем. В основі дії фотоелементів лежить фізичний принцип, при якому електричний струм виникає під впливом світла між двома напівпровідниками з різними електричними властивостями, що знаходяться в контакті один з одним. Сукупність таких елементів утворює фотоелектричну панель, або модуль.Фотоелектричні модулі, завдяки своїм електричними властивостями, виробляють постійний, а не змінний струм. Він використовується в багатьох простих пристроях, що живляться від батарей. Змінний же струм, навпаки, змінює свій напрямок через регулярні проміжки часу. Саме цей тип електрики поставляють енерговиробників, він використовується для більшості сучасних приладів та електронних пристроїв. У найпростіших системах постійний струм фотоелектричних модулів використовується безпосередньо. Там же, де потрібен змінний струм, до системи необхідно додати інвертор, який перетворює постійний струм в змінний. Фотоелементи Сучасне виробництво фотоелементів практично повністю засноване на кремнії. Близько 80% всіх модулів виробляється з використанням полі-або монокристалічного кремнію, а решта 20% використовують аморфний кремній. Кристалічні фотоелементи - найбільш поширені, зазвичай вони мають синій колір з відблиском. Аморфні, або некристалічні - гладкі на вигляд і міняють колір залежно від кута зору.Монокристалічний кремній має найкращу ефективність (близько 14%), але він дорожчий, ніж полікристалічний, ефективність якого в середньому становить 11%. Аморфний кремній широко застосовується в невеликих приладах, таких як годинник і калькулятори, але його ефективність і довгострокова стабільність значно нижче, тому він рідко застосовується в силових установках. У дослідній розробці знаходяться декілька типів альтернативних тонкоплівкових фотоелементів, які в майбутньому можуть завоювати ринок. Найбільш налагодженими з досліджуваних в даний час тонкоплівкових систем є фотоелементи з наступних матеріалів: аморфний кремній (a-Si: H), теллурид / сульфід кадмію (CTS), мідно-індіевих або мідно-галлиевого діселенід (CIS or CIGS), тонкоплівковий кристалічний кремній (c-Si film), нанокристалічні сенсибілізовані барвником електрохімічні фотоелементи (nc-dye). Фотоелемент являє собою "сендвіч" з кремнію - другого за поширеністю на Землі речовини. Дев'яносто дев'ять відсотків сучасних сонячних елементів виготовляють з кремнію (Si), а решта побудовані на тому ж принципі, що і кремнієві сонячні елементи. На один шар кремнію наноситься певна речовина, завдяки якому утворюється надлишок електронів. Виходить негативно заряджений ("N") шар. На іншому шарі створюється недолік електронів, він стає позитивно зарядженим ("P"). Зібрані разом з провідниками, ці дві поверхні утворюють світлочутливий електронно-дірковий перехід. Він називається напівпровідником, оскільки, на відміну від електропроводу, проводить струм лише в одному напрямі - від негативного до позитивного. При дії сонця або іншого інтенсивного джерела світла виникає постійний струм напругою приблизно в 0,5 Вольт.Сила струму (ампер) пропорційна світловий енергії (кількості фотонів). У будь фотоелектричної системі напруга майже постійно, а струм пропорційний розміру фотоелементів і інтенсивності світла. Фотоелементи виробляються з надчистого кремнію, змішаного в точній пропорції з деякими іншими речовинами. Надчистих кремнієва підкладка, з якої роблять фотоелементи, коштує дуже дорого. Кількості надчистого кремнію, необхідного для виготовлення одного фотоелектричного модуля потужністю 50 Вт, було б достатньо для інтегральних схем приблизно двох тисяч комп'ютерів. Крім того, в фотоелементах присутні алюміній, скло і пластмаса - недорогі і багаторазово використовувані матеріали. СОНЯЧНІ МОДУЛІ uacom/images/stories/raznoe/drugie-ist-energii/solnce/pvpanel109.jpg "/> Сонячний модуль - це батарея взаємозв'язаних сонячних елементів, взятих під скляною кришкою. Чим інтенсивніше світло, що падає на фотоелементи і чим більше їх площа, тим більше виробляється електрики і тим більше сила струму. Модулі класифікуються за пікової потужності у ватах (ВТП). Ват - одиниця виміру потужності. Один піковий ват - технічна характеристика, яка вказує на значення потужності установки в певних умовах, тобто коли сонячне випромінювання в 1 кВт/м2 падає на елемент при температурі 25 оC. Така інтенсивність досягається при хороших погодних умовах і Сонце в зеніті. Щоб виробити один піковий ват, потрібен один елемент розміром 10 x 10 см. Більші модулі, площею 1 м x 40 см , виробляють близько 40-50 ВТП. Однак сонячна освітленість рідко досягає величини 1 кВт/м2. Більш того, на сонці модуль нагрівається значно вище номінальної температури. Обидва ці чинника знижують продуктивність модуля. У типових умовах середня продуктивність складає близько 6 Вт · год в день і 2000 Вт · год на рік на 1 ВТП. 5 ват-година - це кількість енергії, яка споживається 50-ватної лампочкою протягом 6 хвилин (50 Вт x 0,1 год = 5 Вт · год) або портативним радіоприймачем протягом години (5 Вт x 1 год = 5 Вт · год). Хоча якість продукції не завжди однаково, більшість міжнародних компаній проводять досить надійні фотоелектричні модулі з терміном експлуатації до 20 років. На сьогоднішній день виробники модулів гарантують вказану потужність на період до 10 років. Вирішальним критерієм для порівняння різних типів модулів є ціна 1 вата пікової потужності. Іншими словами, можна отримати більше електроенергії за ті самі гроші, використовуючи модуль ціною 569 доларів з піковою потужністю 120 ВТП (4,74 долара за 1 ВТП), ніж за допомогою "дешевого" модуля потужністю 90 ВТП, який стоїть 489 доларів (5, 43 долари за 1 ВТП).Номінальний ККД менш важливий при виборі системи. ПЕРЕВАГИ Висока надійність Фотоелементи розроблялися для використання в космосі, де ремонт занадто дорогий, або взагалі неможливий. До цих пір фотоелементи є джерелом живлення практично для всіх супутників на земній орбіті, тому що вони працюють без поломок і майже не потребують технічного обслуговування. Низькі поточні витрати Фотоелементи працюють на безкоштовному паливі - сонячної енергії. Завдяки відсутності рухомих частин, вони не вимагають особливого догляду. Рентабельні фотоелектричні системи є ідеальним джерелом електроенергії для станцій зв'язку в горах, навігаційних бакенів в море та інших споживачів, розташованих далеко від ліній електропередач. Екологічність Оскільки при використанні фотоелектричних систем не спалюється паливо і ще немає рухомих частин, вони є безшумними і чистими. Ця їхня особливість надзвичайно корисна там, де єдиною альтернативою для отримання світла та електроживлення є дизель-генератори і гасові лампи. Модульність Фотоелектричну систему можна довести до будь-якого розміру. Власник такої системи може збільшити або зменшити її, якщо зміниться його потреба в електроенергії. В міру зростання енергоспоживання і фінансових можливостей, домовласник може кожні кілька років додавати модулі. Фермери можуть забезпечувати худобу питною водою за допомогою пересувних насосних систем. Низькі витрати на будівництво Розміщують фотоелектричні системи зазвичай близько до споживача, а значить, лінії електропередачі не потрібно тягнути на далекі відстані, як у випадку підключення до ліній електропередач. До того ж, не потрібен понижуючий трансформатор. Менше проводів означає низькі витрати і більш короткий період установки.