Фотоэлектрические элементы. Ремешки на крыше

Солнечные коллекторы получают тепловую энергию от солнечного излучения, в то время как фотоэлектрические элементы, достигающие своей поверхностной солнечной энергии, преобразуются в электрическую энергию. В настоящее время у нас есть несколько разновидностей фотоэлектрических элементов на рынке.

Самые длинные ссылки на рынке - это так называемые Первое поколение, которые сделаны из кремния. В настоящее время наиболее популярными являются ссылки так называемых Второе поколение на основе тонкопленочных технологий. Наибольшую эффективность (более 15%) можно найти в ячейках 1-го поколения, монокристаллических элементах, состоящих из отдельных элементов, которые сформированы из однородного кристалла кремния с упорядоченной внутренней структурой. Основой для создания ячеек являются кремниевые блоки соответствующего размера. Их нарезают на слои, толщина которых составляет примерно 0,3 мм. Поликристаллические панели состоят из ячеек, состоящих из множества мелких кристаллов кремния, образующих неоднородную поверхность, напоминающую иней на стекле. Поликристаллические модули менее эффективны, чем монокристаллические, однако процесс их изготовления менее сложен и, следовательно, дешевле. Эти панели наиболее широко используются в быту и в больших установках. Аморфные клетки имеют совершенно другую структуру кремния. Толщина кремниевого слоя составляет всего 2 микрона, и слой осаждается на поверхности другого материала, например стекла. Аморфные модули обычно встречаются в часах или калькуляторах и других портативных устройствах. КПД модулей достигает до 8,5%. Альтернативой являются тонкопленочные модули с ячейками из селена индия-меди (CIGS) из селена (CIGS) или теллурида кадмия cdTe. Характерные темные и однородные поверхности, более однородные, чем в случае кристаллических материалов, а также большие возможности для создания разнообразных форм и размеров, делают эти модули пригодными для использования в современных архитектурных сооружениях. Эффективность этих клеток составляет от 12 до 14%. Солнце, на расстоянии около 150 миллионов километров от Земли, излучает энергию во всех направлениях. Часть этой энергии достигает Земли в количестве около 1366 Вт / м2. Это значение так называемого солнечная постоянная, которая колеблется в цикле около 11 лет, но это не важно при получении энергии фотоэлектрическими панелями. После прохождения через атмосферу примерно 1000 Вт / м2 достигает поверхности панели. Если погодные условия будут неблагоприятными, этой энергии будет меньше. Зная, что КПД фотоэлектрических панелей колеблется около 15%, легко подсчитать, что мы можем получить около 150 Вт электроэнергии из 1 м2 ячейки. Быстрый технологический прогресс в фотоэлектрических установках направлен на устойчивое повышение эффективности элементов, поэтому новейшие линии связи достигнут еще более высокой энергоэффективности на квадратный метр.

Небольшая фотоэлектрическая установка может состоять из нескольких или около дюжины фотоэлектрических панелей (большие установки могут иметь до нескольких сотен панелей), которые соединены последовательно и / или параллельно. Параллельные соединения обычно используются в установках, где количество панелей превышает максимальное количество последовательно соединенных панелей (параметр, вытекающий из рабочего диапазона используемого инвертора). Солнечные панели соединены в последовательные поля формы, называемые английской строкой. Одна цепочка состоит из фотоэлектрических панелей, соединенных последовательно друг с другом, а затем соединенных с инвертором, который, в зависимости от модели, поддерживает одну или несколько цепочек. Максимальное и минимальное количество панелей в цепочке определяется электрическими параметрами фотоэлектрической панели и возможностями инвертора (в основном диапазон напряжения, появляющийся на клеммах инвертора, на которых инвертор может работать).

Одна фотоэлектрическая панель состоит из фотоэлектрических элементов, также известных как английские элементы ( ячейки ). Отдельная ячейка является наименьшим компонентом панели. Каждая ячейка в панели должна иметь одинаковые электрические параметры, т.е. при заданных условиях каждая ячейка должна генерировать одинаковое напряжение и ток. Мощность и напряжение зависят от свойств и количества цели на панели, которая доступна на клеммах подключения панели. Отдельные цели на панели соединены последовательно. В настоящее время большинство фотоэлектрических панелей также имеют так называемые обходные диоды, которые позволяют панели работать более эффективно при частичном затенении ее поверхности. Феномен затенения описан в следующей части статьи.

параметры

Основные параметры, описывающие солнечный элемент:

* Мощность в точке максимальной мощности (Pmpp) - максимальная мощность, которую панель может генерировать при оптимальных условиях, т. Е. При 1000 Вт / м2, температуре элемента 25 ° C и спектре излучения AM 1,5.

* Напряжение в точке максимальной мощности (Vmpp) - максимальное напряжение, которого может достичь модуль под нагрузкой при подключении к устройству, потребляющему энергию.

* Напряжение открытия (Voc) - максимальное напряжение, которое генерируется на модуле, к которому не подключены никакие энергопотребляющие устройства.

* Ток в точке максимальной мощности (Impp) - максимальный ток, который модуль может производить при оптимальных условиях под нагрузкой.

* Ток короткого замыкания (Isc) - максимальный ток, который модуль может производить в оптимальных условиях без нагрузки.

* Максимальное рабочее напряжение - значение, определяющее максимальное напряжение модулей, включенных последовательно. Сумма напряжений всех модулей, соединенных последовательно, не может превышать это значение.

инсоляция

Легко видеть, что оптимальные условия работы фотоэлектрического элемента, указанные в приведенных выше определениях, то есть солнечное излучение, равное 1000 Вт / м2, температура элемента 25ºC и АМ 1,5, на практике никогда не будут достигнуты в одно и то же время. Фактически, при практически максимальной возможной инсоляции (1000 Вт / м2) температура элемента всегда будет превышать 25ºC. Таким образом, вышеуказанные условия являются только условиями, полученными в лаборатории, и обозначаются аббревиатурой STC - из Стандартных условий испытаний. Реальные рабочие параметры ячейки приведены для так называемых NOTC, или нормальная рабочая температура ячейки. Это инсоляция 800 Вт / м2 при температуре ячейки 20ºC. Параметр AM 1.5 означает, что солнечные лучи падают под углом = 48,2º относительно положения солнца в зените [1].

AM = 1 / cosz

Как и в случае солнечных коллекторов, более высокие температуры внутри коллектора вызывают увеличение тепловых потерь, поэтому более высокие температуры фотоэлектрического элемента представляют собой уменьшение напряжения, получаемого на клеммах, относительно напряжения, подаваемого для STC. Более низкие рабочие температуры вызывают повышение напряжения. Это важная особенность фотоэлектрических панелей, поскольку при выборе инвертора следует учитывать изменения напряжения, то есть устройство, которое преобразует постоянный ток, полученный от ячеек, в переменный ток, готовый к вводу в электрическую сеть. В нашей климатической зоне при выборе инвертора минимальная рабочая температура фотоэлемента должна составлять не менее -25 ºC. Стоит помнить, потому что программы выбора производителей инверторов чаще всего имеют по умолчанию более высокую минимальную рабочую температуру элемента (например, -10ºC). На рисунке 1 также видно, что ток фотоэлектрического модуля слегка колеблется при изменении температуры. В отличие от повышения напряжения - при понижении температуры фотоэлемента ток несколько уменьшается.

Увеличение температуры элемента способствует увеличению тока на клеммах солнечной панели. Минимальное изменение интенсивности тока уменьшает падение мощности фотоэлектрической панели при повышении температуры (как мы помним из урока физики: мощность - это произведение напряжения и тока).

затенение

Другое явление, влияние которого не следует упускать из виду при проектировании фотоэлектрической установки, затенено. Фотоэлектрические модули будут работать в различных погодных условиях. Таким образом, интенсивность солнечного излучения, достигающего фотоэлемента, будет переменной, и его мощность вместе с изменением излучения также изменится. На рисунке 2 показана зависимость точки максимальной мощности ячейки (MPP) от интенсивности солнечного излучения.

Уменьшение доступной мощности зависит от степени инсоляции, но уменьшение инсоляции - это не только ухудшение погоды и облачного неба. Кроме того, частичное покрытие солнечной панели тенью объекта (дымоход, дерево, другое здание или другая панель) влияет на работу всей установки. Если, например, мы обрежем одну панель, она теряет питание, остальные панели в установке, если они соединены последовательно, будут отдавать столько же энергии установке, сколько затененная панель. Оставшаяся часть энергии будет потеряна из-за тепла, испускаемого скрытой панелью. Даже частичного затенения одного модуля будет достаточно, чтобы привести к снижению эффективности всего набора панелей, соединенных друг с другом. Мощность фотоэлектрических панелей, соединенных последовательно, зависит от их количества и мощности самых слабых из них. Таким образом, мощность ряда панелей, в которых одна из них частично затенена (таким образом, дает меньшую мощность), будет равна произведению мощности затененной панели и количеству панелей в ряду (цепочке). Способ предотвращения таких эффектов заключается в параллельном соединении панелей. Поэтому уже на этапе выбора места установки панели особое внимание следует уделить возможности затенения монтажной поверхности. Тень может исходить от постоянно существующих объектов, таких как электрические линии и колонны, дымоходы, элементы крыши. Стоит также рассмотреть возможность появления тени в будущем, например, от растущих деревьев. Производители, чтобы минимизировать негативный эффект частичного затенения солнечной панели, комбинируют мишени через специальные обходные диоды. От того, сколько таких диодов используется, зависит восприимчивость модуля к явлению падения мощности из-за затенения. При монтаже модулей в местах, где неизбежно затенение, следует выбирать расположение модулей так, чтобы обходные диоды правильно выполняли свою роль. Чаще всего шунтирующие диоды разделяют солнечную панель на вертикальные части, если существует риск затенения панели снизу или сверху, рекомендуется устанавливать панели в горизонтальной ориентации, а если риск затенения возникает с левой или правой стороны - панели следует устанавливать в вертикальном положении. Постоянное затенение фрагментов фотоэлектрических элементов может привести к непоправимому повреждению модуля и, следовательно, к постоянному снижению производительности.

инвертор

Сердцем фотоэлектрической установки является устройство, называемое инвертором, которое в основном преобразует постоянный ток, полученный от панелей, в переменный ток, приемлемый для приемников. Фотоэлектрические установки подразделяются на работающие в островной системе (автономные), то есть независимые от сети, не подключенные к сети и не передающие излишки электроэнергии в электрическую сеть. Второй тип установки подключен к сетке на сетке. Поэтому энергия, которая не используется для собственных нужд, продается в электросеть, или вся доступная электроэнергия сбрасывается в сеть. Выбор метода работы установки принадлежит инвестору. В целях безопасности инверторы, предназначенные для работы с электрической сетью, отключают питание от солнечной установки в случае сбоя питания в электросети. Невозможно учесть возникновение напряжения в электрической сети от солнечной установки, когда, например, работник электростанции отключил электропитание для ремонта установки. В свою очередь, автономные инверторы подают электричество от установки, когда это возможно. Они делают нас независимыми от источника питания от сети. Для хранения электроэнергии установки дополняются комплектом батарей. Поэтому излишки энергии, неиспользованные в течение дня, могут быть использованы после захода солнца. Также возможна комбинированная установка, то есть такая, которая работает совместно с электрической сетью и позволяет продавать ее в случае избытка энергии, но отключает солнечную установку от внешней сети в момент отключения электричества через дополнительное устройство и обеспечивает только приемники пользователя установки.

Систематизируя информацию о способе подключения солнечных модулей, следует добавить, что при последовательном соединении панелей мощность установки является суммой мощности отдельных фотоэлектрических элементов (точнее, это произведение «самой слабой» мощности панели и количества панелей), аналогично, напряжение на выходных проводах поля модулей является произведением количества. модули и напряжение на клеммах одного модуля, а сила тока такая же, как для одного модуля. Панели, соединенные параллельно, характеризуются мощностью, получаемой из суммы мощности одной ячейки (как в последовательном соединении). Напряжение равно напряжению от одной ячейки, а ток является суммой интенсивностей отдельных ячеек. В более крупных установках ячейки связаны в полях, так называемых ремешки, которые в свою очередь связаны с инверторами. В зависимости от потребностей и размеров фотоэлектрической установки мы можем использовать однофазные или трехфазные преобразователи тока.

установка

«Домашние» солнечные установки лучше всего устанавливать на имеющемся скате крыши. Ограничением, безусловно, будет положение здания относительно сторон света. Как солнечные установки - фотоэлектрические панели должны быть расположены как можно ближе к югу. Кроме того, доступное пространство для монтажа может быть уменьшено за счет временно затененных фрагментов. Как мы знаем из предыдущих параграфов, затенение солнечных элементов более вредно, чем в случае солнечных коллекторов. Благодаря устойчивости конструкции угол наклона крыши определяет угол установки, поскольку нет смысла использовать наклонные ручки, которые изменяют наклон панелей по отношению к уклону крыши на скатных крышах. Поэтому намного проще расположить фотоэлектрические установки на земле (или плоской крыше). На рынке вы найдете предложения готовых монтажных систем, предназначенных для монтажа на крыше, и автономного варианта с возможностью выбора оптимального угла установки. Если мы примем решение о такой системе, мы значительно сократим время инвестиций и уверены, что все будет соответствовать друг другу. Очень важно, чтобы при размещении свободно стоящих панелей не допускалось, чтобы ряды установок перекрывали друг друга. Укажите минимальные расстояния между установочными рядами. Формула [1], показанная ниже, используется для определения минимального расстояния между рядами, расположенными на плоской поверхности установки (рис. 3). Для определения расстояния нам нужно знать:

* α - угол солнечного луча 21 декабря, когда Солнце находится в зените,

* h2 - превышение верхнего края модуля над нижним краем [м],

* φ - широта точки сборки установки,

x = h2 / tgα

α = 90o - φo - 23o27 '.

Например, для Быдгоща, расположенного на широте около φ = 53, угол падения солнечного света составляет около Β = 13,5º. Это угол солнечных лучей в самый неблагоприятный день, 21 декабря, когда день самый короткий и солнечные лучи падают под самым острым углом. Положения Солнца в зените предполагаются в расчетах, поэтому затенение модулей может происходить в течение дня. Из-за загруженности места установки вышеприведенное допущение необходимо. В случае свободно стоящих установок, если есть свободное место, стоит рассмотреть возможность установки солнечных батарей подряд.

конец

Солнечная энергия является отличной альтернативой энергии, получаемой из так называемых ископаемое топливо. Предлагаемые в настоящее время фотоэлектрические системы представляют собой усовершенствованные установки, которые могут удовлетворить потребности как отдельных пользователей, так и промышленных объектов. Препятствием для еще более эффективного использования солнечной энергии является хранение полученного электричества. Батареи, доступные на рынке из-за потерь энергии, пригодны для относительно кратковременного хранения энергии, например, для использования энергии, полученной в течение предыдущего дня ночью. Также проблематично переносить энергию на большие расстояния, то есть из районов с сильным солнечным освещением, таких как Африка, в районы с высоким потреблением энергии (например, в Европе). Тем не менее, солнечная энергия - это будущее энергии.

Павел Ковальский

Библиография:

[1] solaris18.blogspot.de, блог Богдана Шиманского, посвященный возобновляемым источникам энергии и смежным темам.

[2] «Международный журнал фотоэнергетики», том 2012, «Оптимизированный нечеткий логический контроллер Hopfield для нейронной сети для отслеживания максимальной мощности в фотоэлектрической системе», Субиянто, Аза Мохамед и Хуссейн Шариф (2012).

Рис. 1. Характеристика УИ - влияние изменения температуры [2].

Рис. 2. Характеристика УИ - эффект изменения радиации [2].

Похожие

Комментарии