Альтернативные источники энергии и энергосбережение - [41]
Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м>2 за день может нагреть 50–70 л воды до температуры 80–90 °C.
Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать горячей водой многие дома в южных районах.
И все же будущее солнечной энергетики за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов — солнечных батарей.
Еще в 30-х годах прошлого века, когда КПД первых фотоэлементов едва доходил до 1 %, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет активная продажа солнечных батарей.
Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Устройство солнечного элемента показано на рис. 3.1.
Рис. 3.1.Устройство солнечного элемента
Типы солнечных элементов. СЭ может быть следующих типов:
♦ монокристаллический;
♦ поликристаллический;
♦ аморфный.
Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния (http://www.solarhome.ru/ru/basics/).
Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок.
В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются.
КПД солнечных элементов:
♦ монокристаллические — 12…15 %;
♦ поликристаллические — 11…14 %;
♦ аморфные — 6…7 %;
♦ теллурид кадмия — 7…8 %.
Пиковый ватт. СЭ производит электричество, когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м>2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.
Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности W>p, — это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.
Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:
♦ освещенность 1000 Вт/м>2;
♦ солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света);
♦ температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).
Кристаллический кремниевый СЭ с размерами 10х10 см имеет пиковую мощность примерно 1,5 W>p. Большинство панелей с площадью 1 м>2, если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов, имеют номинальную мощность около 100 Вт>пик.
Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества.
Солнечные панели (также называемые фотоэлектрические или солнечные модули) производятся многих типов и размеров. Наиболее типичные — это кремниевые фотоэлектрические модули мощностью 40—160 W>p (пиковый ватт, т. е. мощностью максимум в 40—160 Вт при ярком солнце). Такой солнечный модуль имеет размер от 0,4 до 1,6 м>2.
Однако, широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен в продаже. Солнечные панели (PV panels) могут соединяться между собой солнечные батареи (arrays) для того, чтобы получить большую мощность. Например, 2 модуля по 50 W>p, соединенных вместе, эквивалентны модулю мощностью 100 W>p.
КПД доступных в продаже модулей варьируется в пределах 5—15 %. Это значит, что 5—15 % от количества энергии, падающей на солнечный элемент, будет трансформировано в электричество. Исследовательские лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для СЭ с более высоким КПД (до 30 %). Стоимость производства также очень важна. Некоторые новые технологии (такие как, например, тонкопленочные), позволяют производить СЭ в больших масштабах, что значительно снизит стоимость элементов и модулей
Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10 %.
Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет.
