Теоретичні відомості. Сонячна електроенергетика – це напрямок енергетики, що займається перетворенням енергії сонячного випромінення на електричну енергію

Сонячна електроенергетика – це напрямок енергетики, що займається перетворенням енергії сонячного випромінення на електричну енергію. Геліоелектричний метод полягає в безпосередньому перетворенні енергії сонячного світла в електроенергію за допомогою сонячних елементів (СЕ). Такі елементи здатні перетворювати на електроенергію не тільки пряме, але й розсіяне випромінювання сонця за хмарної погоди(рис. 4.1.).

Сезонний період для активного використання сонячної енергії у північних регіонах України продовжується з квітня по вересень, а у південних – з березня по жовтень і становить 1900-2400 годин на рік. Загальне середньорічне сонячне випромінювання змінюється в межах від 1070 кВт× год/м² на рік у північних районах України до 1400 кВт× год/м² на півдні. За рівнем інтенсивності сонячного випромінювання (радіації) територія України поділяється на чотири зони.

Сонячні елементи (фотоелектричні перетворювачі) – це напівпровідникові пристрої, які перетворюють сонячне випромінювання на електричну енергію. Перетворення енергії в сонячних елементах засноване на фотоефекті в неоднорідних напівпровідникових структурах під дією на них сонячного випромінювання. Струм у напівпровідниках виникає за рахунок виникнення у їх кристалічних решітках вільних зарядів під впливом електричного поля або теплових коливань кристалічної решітки, наприклад, за рахунок сонячного випромінювання.

Зараз є декілька технологій виготовлення фотоелементів, які відрізняються один від одного в основному за рахунок фото перетворюючого напівпровідника. Найбільш поширеним напівпровідниковим матеріалом, що використовується у фотовольтаїчних системах, є монокристалічний кремній. Сьогодні біля 90% СЕ у всьому світі виготовляється на традиційному монокристалічному кремнії.

Кремній є другим за поширеністю матеріалом на землі, і тому як сировина він абсолютно доступний. Існують також технології з полікристалічним та аморфним кремнієм, ефективність яких у середньому складає 6 – 11% і які мають меншу часову стабільність. СЕ з аморфного кремнію

Некремнієві СЕ базуються на полікристалічних тонких плівках технології CIGS, арсеніду галію та їн.

Найдорожчі технології на основі багатоперехідних (каскадних) СЕ використовуються у космічних технологіях і мають найвищий ККД (до 35 – 38%).

ККД звичайного кремнієвого сонячного елементу коливається в межах 10-16 %. Це означає, що елемент розміром 100 ´ 100 мм за стандартних умов може генерувати 1-1, 6 Вт.

Проста конструкція СЕ на основі монокристалічного кремнію показана на рисунку 4.2. На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини p- типа сформований p-n- перехід з тонким металевим контактом. На зворотний бік пластини нанесений суцільний металевий контакт. В р-n переході на місці стику існує внутрішнє електричне поле, яке називається потенційним бар'єром. Висота потенційного бар’єру залежить від температури і концентрації домішок у напівпровіднику. Таке поле збирає по обидві границі електричні заряди протилежного знаку до більшості носіїв шару. Коли СЕ освітлюється, поглинання фотонів спричиняє утворення нерівноважних електрон-діркових пар. Електрони, що генеруються в p- шарі поблизу p-n- переходу, підходять до p-n- переходу і, існуючим в ньому електричним полем, виносяться в n- область. Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n- шарі, частково переносяться в p- шар (рис. 4.2). В результаті n- шар набуває додаткового негативного заряду, а p- шар - позитивного. Знижується первинна контактна різниця потенціалів між p- і n- шарами напівпровідника, і в зовнішньому ланцюзі з'являється напруга, яка залежить від інтенсивності випромінювання. Негативному полюсу джерела струму відповідає n- шар, а p- шар - позитивному.

Основними характеристиками фотоелементів є вольт-амперна характристика і крива потужності(рис. 4.3).

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) – це залежність вихідного струму фотоелементу від напруги на ньому при сталому значенні світлового потоку.

Потужнісна характеристика – це залежність вихідної потужності фотоелементу від навантаження.

Основними факторами, від яких залежить ВАХ, є температура та освітленість.

Рис. 4.3. Вольт-амперна характеристика сонячного елементу

Основними параметрами СЕ є:

Струм короткого замикання (I_кз) – максимальний струм який протікає через СЕ коли зовнішнє навантаження дорівнює нулю.

Напруга холостого ходу (U_хх) – це максимальна напруга, яку може генерувати елемент за умов, коли зовнішнє навантаження нескінченне (вимірюється при розімкнутому колі навантаження СЕ,

Коефіцієнт корисної дії (ККД) сонячного елементу визначається як відношення максимальної вихідної потужності до потужності падаючого сонячного світла

(4.1)

де:

І – струм СЕ, А;

U – електрорушійна сила СЕ, В;

P_е – вихідна електрична потужність СЕ, Вт;

S – поверхня фотоелементу, м²;

G – інтенсивність сонячного випромінювання, Вт/м².

Максимум енергії досягається, якщо підтримувати значення U та I такими, щоб їх добуток співпадав з лінією максимальної потужності при зміні інтенсивності сонячного випромінення та опору навантаження. Таким чином, для досягнення максимальної вихідної потужності при змінних умовах освітленості використовують пристрої регулювання навантаження, що по суті є перетворювачами постійного струму.