Фотоэлектрические преобразователи: типы, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое фотоэлектрические преобразователи. Какие бывают типы ФЭП. Как работают солнечные элементы. Каковы основные характеристики и параметры солнечных батарей. Где применяются фотоэлектрические преобразователи.

Содержание

Принцип работы фотоэлектрических преобразователей

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) или солнечные элементы — это устройства, которые преобразуют энергию солнечного света в электрическую энергию. Их работа основана на фотоэлектрическом эффекте, открытом французским физиком Антуаном Беккерелем в 1839 году.

Как работает солнечный элемент? При попадании света на полупроводниковый материал в нем генерируются свободные носители заряда — электроны и «дырки». За счет внутреннего электрического поля p-n перехода происходит разделение этих зарядов. В результате на контактах солнечного элемента возникает разность потенциалов, то есть вырабатывается электрический ток.

Основные типы фотоэлектрических преобразователей

В настоящее время существует несколько основных типов ФЭП:

Монокристаллические кремниевые
Поликристаллические кремниевые
Тонкопленочные (аморфный кремний, CdTe, CIGS)
Многопереходные
Перовскитные
Органические

Наиболее распространены кремниевые ФЭП, на их долю приходится около 95% рынка. Рассмотрим их подробнее.

Кремниевые фотоэлектрические преобразователи

Монокристаллические ФЭП

Монокристаллические солнечные элементы изготавливаются из высокочистого кремния. Их основные преимущества:

Высокий КПД — до 22-24% для серийных образцов
Стабильность характеристик
Длительный срок службы — более 25 лет

Недостатки — высокая стоимость и сложность производства.

Поликристаллические ФЭП

Поликристаллические элементы дешевле в производстве, но имеют несколько меньший КПД — до 18-20%. Их преимущества:

Более низкая стоимость
Простота технологии
Эффективная работа при рассеянном свете

Недостатки — меньший КПД и больший температурный коэффициент по сравнению с монокристаллическими.

Основные характеристики фотоэлектрических преобразователей

Ключевыми параметрами солнечных элементов являются:

КПД — отношение выработанной электрической мощности к мощности падающего солнечного излучения
Ток короткого замыкания (Isc)
Напряжение холостого хода (Voc)
Фактор заполнения (FF) — отношение максимальной мощности к произведению Isc и Voc
Температурные коэффициенты

Для кремниевых ФЭП типичные значения: КПД 15-22%, Voc = 0,5-0,7 В, Isc = 30-40 мА/см2, FF = 0,75-0,85.

Применение фотоэлектрических преобразователей

Основные области применения солнечных элементов:

Солнечные электростанции
Автономное электроснабжение
Космические аппараты
Портативная электроника
Интеграция в здания (BIPV)

С каждым годом сфера применения ФЭП расширяется по мере снижения их стоимости и повышения эффективности. Солнечная энергетика становится все более конкурентоспособной по сравнению с традиционными источниками энергии.

Перспективы развития фотоэлектрических преобразователей

Основные направления совершенствования ФЭП:

Повышение КПД
Снижение стоимости производства
Улучшение стабильности
Создание гибких и полупрозрачных элементов
Разработка новых типов (перовскитные, квантовые точки и др.)

Какие перспективы у фотоэлектрических преобразователей? По прогнозам экспертов, к 2030 году солнечная энергетика может обеспечивать до 20-25% мирового производства электроэнергии. Это делает технологии ФЭП одним из ключевых направлений развития возобновляемой энергетики.

Влияние дефектов на характеристики ФЭП

Дефекты структуры оказывают существенное влияние на параметры фотоэлектрических преобразователей. Основные виды дефектов в кремниевых ФЭП:

Точечные дефекты (вакансии, междоузельные атомы)
Дислокации
Границы зерен в поликристаллах
Преципитаты примесей
Поверхностные дефекты

Как влияют дефекты на характеристики солнечных элементов?

Снижают время жизни неосновных носителей заряда
Увеличивают скорость рекомбинации
Уменьшают диффузионную длину носителей
Повышают последовательное сопротивление
Создают шунтирующие пути

В результате происходит снижение основных параметров ФЭП — тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, фактора заполнения и КПД.

Методы снижения влияния дефектов в ФЭП

Для уменьшения негативного влияния дефектов применяются следующие технологические приемы:

Геттерирование примесей
Пассивация поверхности
Формирование встроенных электрических полей
Оптимизация профиля легирования

Использование гетероструктур

Какие еще методы позволяют улучшить характеристики ФЭП?

Текстурирование поверхности
Нанесение антиотражающих покрытий
Создание тыльных отражающих контактов
Оптимизация конструкции контактной сетки
Применение концентраторов света

Комплексное использование этих методов позволяет значительно повысить эффективность фотоэлектрических преобразователей.

Особенности ФЭП космического применения

Солнечные элементы для космических аппаратов должны соответствовать специфическим требованиям:

Высокая удельная мощность (Вт/кг)
Радиационная стойкость
Термостойкость
Устойчивость к циклическим нагрузкам
Длительный срок службы

Чем отличаются космические ФЭП от наземных?

Используются более эффективные многопереходные элементы

Применяются защитные покрытия
Имеют меньшую толщину
Оптимизированы для работы в условиях космоса
Проходят специальные испытания

КПД современных космических солнечных элементов достигает 30-32%, что значительно выше, чем у наземных аналогов. Это позволяет обеспечить высокую удельную мощность солнечных батарей космических аппаратов.

Перспективные типы фотоэлектрических преобразователей

Помимо традиционных кремниевых ФЭП, активно разрабатываются новые типы солнечных элементов:

Перовскитные
На основе квантовых точек
Органические
С промежуточной зоной
На горячих носителях

Какие преимущества имеют новые типы ФЭП?

Потенциально более высокий КПД
Возможность создания гибких элементов
Низкая стоимость производства
Использование доступных материалов

Расширение спектра поглощения

Однако пока эти технологии находятся на стадии лабораторных исследований и требуют решения ряда проблем для коммерциализации. Тем не менее, они имеют большой потенциал для дальнейшего повышения эффективности и снижения стоимости фотоэлектрического преобразования энергии.

Фотоэлектрические преобразователи – Типы и характеристики ФЭП – ПАО Сатурн

Температурные коэффициенты ФЭП

d Iкз / dT	мкА / см2 / °С	19,8	10,6
d Iмм / dT	мкА / см2 / °С	—	9,3
d Uхх / dT	мВ / °С	–1,92	–6,0
d Uмм / dT	мВ / °С	–2,0	–6,1
d Pмм / dT	мВт / см2 / °С	–0,068	–0,090

Радиационная стойкость ФЭП

При эксплуатации в космическом пространстве солнечные батареи и, соответственно, фотопреобразователи подвергаются воздействию радиации (радиационные пояса Земли, солнечное и космическое излучение), в результате чего происходит постепенное ухудшение их электрических характеристик. Стойкость фотоэлектрических преобразователей к воздействию радиации в наземных условиях исследуется с помощью воздействия моноэнергетического пучка электронов с энергией 1 МэВ (эквивалентный поток электронов).

Коэффициенты деградации электрических характеристик ФЭП в зависимости от воздействующей дозы (флюенса) радиации

Флюенс, эл/см2	1Е14	2,5Е14	5Е14	1Е15		3Е15		1Е16
Типы ФЭП	Si	GIP GaAs Ge	GIP GaAs Ge	Si	GIP GaAs Ge	Si	GIP GaAs Ge	Si
Jsc	0,915	0,99	0,99	0,794	0,96	0,737	0,87	0,674
Uoc	0,845	0,96	0,95	0,777	0,93	0,744	0,90	0,693
Jmp	0,931	0,97	0,95	0,797	0,94	0,738	0,84	0,642
Ump	0,839	0,96	0,94	0,763	0,93	0,725	0,90	0,664
Pmp	0,781	0,95	0,92	0,608	0,88	0,535	0,76	0,426

Для защиты ФЭП от агрессивного воздействия космического пространства применяется стекло марки К-208, легированное церием, толщиной (100 + 20) мкм. Размер стекла на 0,2 мм больше размера ФЭП.

В зависимости от требований конкретного проекта на стеклянные пластины наносятся специальные покрытия:

просветляющие;
УФ и ИК фильтры;
Аl – зеркало.

Фотоэлектрические преобразователи 156х156мм 3.6 W

ВНИМАНИЕ!!!

Минимальное количество отправляемых солнечных элементов 10 штук одного размера

==============================================================

В магазине «Мир солнечной энергии» компании Solbat Company Вы можете купить солнечные элементы из поликристаллического кремния 156*156мм 3.6 W, 14.8%, с доставкой во все регионы России.

==============================================================

Фотоэлектрические преобразователи 156х156мм 3.6 W, 14.8% — солнечные фотоэлементы для сборки солнечной батареи, ток до 7.2А, напряжение 1 фотоэлемента 0.5 вольта, мощность 3.6W, поликристаллический кремний.

==============================================================

Основные характеристики солнечного элемента из поликристаллического кремния 156х156мм 3.6 W, 14.8%:

Размер одного солнечного фотоэлемента составляет 156мм на 156мм.
Класс фотоэлектрических модулей: В (небольшие, незначительные косметические дефекты, не влияющие на технические характеристики)
Средняя мощность (Ватт): 3.6 Wp
Средний ток (А): 7.2 Imax
Среднее напряжение (В): 0.5 Vmax
Эффективность, КПД (%): 14.8%
Один фотоэлектрический преобразователь имеет среднюю мощность 3.6 W рабочее напряжение – 0.5В при нагрузке до 7.2А.

===============================================================

Что из этих солнечных элементов можно сделать?

Из фотоэлектрических преобразователей 156х156мм можно в домашних условиях изготовить солнечную батарею мощностью от 10.8 до 130W.

Изготовление солнечной батареи в домашних условиях по силам практически
любому радиолюбителю, «кулибину», или человеку который любит мастерить всё
своими руками.

И по финансовым затратам солнечная батарея собранная своими руками на порядок
дешевле промышленной солнечной батареи.

К тому же при проектировании, расчёте и сборке солнечной батареи можно учесть
все технические нюансы и личные потребности, в любом конкретном случае.

===============================================================

Для самостоятельной сборки солнечной батареи мы так же предлагаем аксессуары для изготовления солнечных батарей:

луженая медная шина для пайки 2 мм

луженая медная шина для пайки 5 мм

флюс-карандаш для пайки

контроллер заряда для солнечной батареи

===============================================================

Из 3 солнечных фотоэлементов, при последовательном соединении, Вы получите источник энергии 1.5В при нагрузке до 7.2А (10.8W).
Это позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 1.2В (типа AA и AAA) – средним током 7.2А.

Из 12 фотоэлектрических преобразователей можно собрать солнечную батарею 36W (5V – 7.2А) – подходит для обеспечения электропитания, освещения и зарядки различных устройств с рабочим напряжение 5В — любое устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы через USB-порт.
Питание и зарядка любого мобильного устройства, сотовые телефоны и КПК, фото и видео камеры, MP3 и MP4 плееры, GPS-навигаторы, игровые консоли типа SONY PSP, совместим с большинством сотовых телефонов, а также iPhone, Ipad и другими продуктами Apple, зарядка всех типов аккумуляторов AA, AAA, Li-Ion, Li-Pol с помощью зарядного устройства (приобретается отдельно).

Из 36 солнечных элементов можно собрать солнечную батарею 130W (18V – 7.2А), что позволяет подключать любое устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы от автомобильного прикуривателя 12 – 24 вольта. А так же позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 12В.
Собранные таким образом солнечные батареи сохраняют работоспособность даже в пасмурную погоду, с некоторым уменьшением мощности.

==============================================================

У нас Вы можете купить и заказать:

У нас выгодно покупать, потому что:

Индивидуальный подход к каждому клиенту
Предусмотрена гибкая система скидок
Техническая поддержка наших клиентов
Бесплатные консультации по телефону

Будем рады ответить на Ваши вопросы, в любой день, кроме субботы, с 9 до 21 часов

Изготовление кремниевых солнечных фотопреобразователей | ВИЭ от Avenston

Стандартный тестер состоит из эталонного солнечного элемента и встроенного компьютера, обобщающего полученные при измерении значения и приводящий их к значениям, которые были бы получены при полном соблюдении стандартов измерения. Это только на первый взгляд измерение представляется достаточно простой и тривиальной задачей, но на самом деле, чтобы получить корректные значения, необходимо учесть целый ряд факторов, основными из которых можно выделить следующие:

Поскольку вырабатываемый солнечным элементом электрический ток прямо пропорционален интенсивности освещения, при проведении тестирования необходимо добиться стабильности освещенности, её значение должно быть известным и постоянным.
Необходимо достичь как можно большей однородности света по всей поверхности тестируемой панели.
Спектральное распределение создаваемой освещенности должно максимально точно соответствовать спектральному распределению, характерному для естественного солнечного света.
Необходимо определить температуру солнечного элемента и поддерживать её фиксированной на протяжении всего времени тестирования.
Потребуется исключить нестабильность напряжения в электрической цепи измерительного комплекса и непосредственно на контактах – падение напряжения существенно влияет на точность проводимых измерений.

Добиться однородности излучения можно, воспользовавшись двумя самыми распространенными способами:

Задействовать точечный источник излучения – в этом случае необходимой однородности можно добиться, разнеся тестируемый образец солнечной панели и источник света на значительные расстояния, например, на несколько десятков метров.
Воспользоваться специальной оптикой с рассеивающими и отражающими элементами – достаточно сложный в плане практической реализации способ, ведь в этом случае придется постоянно контролировать настройку оборудования, своевременно внося необходимые коррективы. Кроме того, потребуется компенсировать влияние рефлектора (а также и прочих используемых оптических приборов) на спектральное распределение мощности излучения, применив дополнительную фильтрацию.

В первом варианте необходимо часто контролировать и настраивать оборудование, а также компенсировать влияние рефлектора и других оптических элементов на спектральное распределение с помощью дополнительной фильтрации, что приводит к большим трудностям в использовании. Во втором варианте необходимо однородность достигается разнесением источника и тестируемого образа на значительное расстояние. Наиболее распространенными в промышленности являются импульсные тестеры с ксеноновой лампой.

Итак, выше были изложены основы традиционной технологии, разработанной в Украине и внедренной в серийное производство. Это была, наверное наиболее распространенная технология создания кремниевых солнечных элементов с контактами, нанесенными методом трафаретной печати. Как может показаться, процесс производства фотоэлектрических преобразователей достаточно простой по сравнению с изделиями традиционной микроэлектроники. Но это только на первый взгляд. На самом деле в технологии фотоэлементов существует огромное множество трудностей, подводных камней и нюансов.

Солнечные батареи космического и наземного применения

К проблеме освоения энергии солнечного света привлечено в настоящее время внимание специалистов разных научных дисциплин. Особенно большие успехи достигнуты на пути создания полупроводниковых солнечных элементов и батарей различных конструкций. Все больше, легче и мощнее становятся солнечные батареи (СБ) космических аппаратов и станций, все шире их применения на земле, все выше КПД и разнообразнее их свойства.

Развитие теории и опыт прошлых лет позволили описать физические механизмы фотоэффекта, определить источники потерь мощности в ФЭП, объяснить реально полученные КПД и указать пути их повышения. Зонная теория твердых тел в сочетании с термодинамикой системы полупроводник-излучение позволил сделать оптимальный выбор исходного полупроводника, введя понятие и определив значение предельного теоретического КПД. И хотя не всегда удавалось довести уровень знаний к пониманию всех сложных электронных процессов, происходящих в объеме полупроводника или на его поверхности — контактах с воздухом, металлами или другими веществами. Однако, как правило выяснялось, как можно избежать влияния негативных явлений, усилить роль положительных и разработать модели совершенствования.

Необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Поэтому основным источником электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные батареи. И развитие космической техники требует дальнейшего совершенствования и повышения их технико-экономических показателей. Работа в космосе предъявляет СЕ очень жесткие и порой противоречивые требования. Действительно, поглощая максимум мировой энергии, они не должны перегреваться. В то время как диоды и транзисторы размещаются в герметичных, иногда теплоизолированных приборных отсеках, панели солнечных элементов нагреваются до 80 ° С, когда их освещает Солнце, и остывают до -150 ° С при заходе космических аппаратов в тень Земли. Кроме этого, солнечные батареи должны обладать способностью длительное время противостоять потокам корпускулярного излучения, воздействия частиц высоких энергий и метеоритным потокам.

Но не менее жесткие требования предъявляются к фотоэлектрическим преобразователям эксплуатируемым в наземных условиях. Это связано с растущим спектром применения СБ Украины. Сначала солнечные батареи использовались только в портативной технике, срок службы и энергопотребление которых невелика. Сейчас ФЭП используются как автономные источники питания для систем навигации и связи, систем телекоммуникаций и дополнительные источники электроэнергии, которые работают в часы пиковой нагрузки в электросети. Эти источники энергии должны обладать большой мощностью, большим сроком службы и устойчивостью к климатическим условиям. Сами же ФЭП должны быть недорогими и иметь возможность соединения в большие батареи.

Наибольшее распространение получили кремниевые ФЭП, что связано с хорошо развитой технологией, относительной дешевизной сырья и хорошими параметрами кремния с точки зрения непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Основными направлениями улучшения параметров фотоэлектрических преобразователей являются: оптимизация параметров существующих преобразователей, совершенствование технологии изготовления ФЭП с целью снижения материальных и энергетических затрат на их изготовление, применение новых материалов в технологии ФЭП. Об этом и многом другом мы будем писать еще не раз.

Влияние дефектов на количество ФЭП

В полупроводниковых материалах, используемых при производстве фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), сначала имеют место дефекты различного типа, которые зависят в первую очередь от способа и условий получения полупроводника. Активность дефектов определяется их типом, размером поля деформации, взаимодействием дефектов друг с другом и примесями, расположением дефектов по отношению к активным областям ФЭП, типу и особенностями изготовления ФЭП.

Различные термические и механические процессы, которые имеют место на всех этапах изготовления твердотельных ФЭП, могут приводить к появлению новых структурных дефектов, а также дополнительных примесей в обрабатываемом материале. Кроме того, в ходе проведения технологических операций возможны изменения природы существующих дефектов и развитие новых дефектов. Дефектообразования на каждой стадии технологического процесса сильно зависит от предыдущих операций и режимов проведения дальнейших операций.

Структурные дефекты существенно влияют на продолжительность жизни носителей заряда и удельное сопротивление материала, что приводит в результате к изменению вольтамперных характеристик ФЭП. Дефекты вызывают увеличение токов утечек, приводят к появлению локального пробоя p-n перехода, неоднородности фронта диффузии примесей, обрыва металлизации, проколов оксида, в свою очередь приводит к деградации ФЭП, а также снижение процента выхода годных изделий и их надежности.

Дефекты конструкции кремниевых ФЭП

К выходным дефектам структуры фотоэлектрических преобразователей относятся агломераты точечных дефектов, дислокации и их скопления, планарные дефекты типа двойников, дефекты упаковки, границы зерен, а также преципитаты и микродефекты, которые расположены внутри зерен, макродефектов материала и т.п. Отклонение в ходе проведения технологических операций, загрязнение поверхности и объема полупроводникового материала, жидких и газообразных технологических сред, термические и механические процессы также приводят к появлению и развитию дефектов, связанных с несовершенством конструкции ФЭП.

При исследовании образцов были обнаружены следующие виды конструктивных дефектов кремниевых ФЭП: дефекты структуры и загрязнения поверхности кремниевых пластин, дефекты структуры антиотражающего покрытия (АОП), неравномерность глубины залегания тыльной изотипных переходов, механические сколы по периметру пластин, дефекты контактной металлизации.

Остатки нарушенного слоя кремния приводят к увеличению скорости поверхностной рекомбинации и уменьшения спектрального отклика ФЭП. Неравномерность высоты пирамид текстуры может быть причиной неравномерности толщины АОП и, соответственно, увеличения интегрального коэффициента оптического отражения от поверхности ФЭП. Наличие на поверхности пластин частиц металла и других загрязнений приводит к шунтированию эмиттерного перехода.

Трещины и поры в АОП возникают при высокотемпературной обработки пластин вследствие различия коэффициентов термического расширения материала покрытия и кремния. Эти дефекты приводят к уменьшению оптического коэффициента пропускания АОП и увеличения оптических потерь.

Неравномерность глубины залегания тыльной изотипного перехода возможно при неоптимальных или нестабильных режимах нанесения и вжигания алюминия на тыльной поверхности ФЭП. Уменьшение глубины тыльной изотипного перехода приводит к росту скорости рекомбинации на тыльной поверхности пластины и снижения напряжения холостого хода прибора.

Механические сколы появляются при контактах пластин с технологическим оснащением, пинцетами и т.п., а также в результате неаккуратных манипуляций с пластинами. Механические с тех пор являются причиной образования в пластинах микротрещин, которые приводят к существенной деградации электрических параметров ФЭП.

К дефектам контактной металлизации относятся:

разрывы и неравномерность ширины серебряной контактной шины, появление белых участков и отклонения геометрии рисунка металлизации вследствие дефектов трафарета при нанесении контактов методом трафаретной печати;
неравномерность толщины металлизации;
отсутствие адгезии лицевой или тыльной контактной металлизации в результате отклонения от оптимальных режимов вжигания и загрязнений на поверхности пластин
отслаивание и отпадение алюминиевой металлизации из-за разницы коэффициентов термического расширения кремния и алюминия.

Дефекты контактной металлизации приводят к возникновению механических напряжений пластин, уменьшение плотности тока короткого замыкания и невозможности соединения ФЭП в модуле для получения заданных значений тока и напряжения в рабочей точке.

Снижение потерь энергии в ФЭП наземного применения

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность фотоэлектрического преобразователя излучения, в настоящее время наиболее широко применяются следующие методы:

структурирования поверхности приводит к снижению интегрального коэффициента отражения ФЭП;
нанесение на поверхность ФЭП одно- или двухслойного антиотражающего покрытия;
уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенение;
нанесение на тыльную поверхность ФЭП металлического слоя увеличивает эффективность поглощения длинноволнового излучения за счет его многократного прохождения через объем полупроводника;
уменьшение глубины эмиттерного перехода и снижение концентрации легирующей примеси вблизи лицевой поверхности для повышения чувствительности ФЭП в коротковолновой части спектра.

Электрические потери энергии обычно уменьшаются с помощью следующих методов:

выбор оптимального шага и толщины контактных шин на лицевой поверхности для снижения последовательного сопротивления ФЭП;
использование гетерирующих обработок, увеличивают время жизни неосновных носителей заряда;
пассивация лицевой поверхности для снижения скорости поверхностной рекомбинации;
пассивация тыльной поверхности и создания изотипних перехода;
минимизация площади контактов и дополнительное легирование приконтактных областей для уменьшения рекомбинационных потерь на границе раздела металл-полупроводник.

Ниже вы можете ознакомиться с наглядным графиком, который иллюстрирует последние достижения по эффективности фотоэлектрических преобразователей, изготовленных по различным технологиям.

Фотоэлектрические преобразователи — презентация онлайн

1. Фотоэлектрические преобразователи

Лекция №3

2. Эффект фотоэлектричества

фотоэлектрический эффект —
фотоэффект Процесс полного или
частичного освобождения
заряженных частиц в веществе в
результате поглощения фотонов.
Открыт в 1839 году
Антуан Анри Беккерель

3. Первая фотогальваническая ячейка

Произведена в 1954 г. американскими учёными Bell Labs
для космической программы.

4. Развитие ФЭП

6. Доля солнечной энергетики в мире

год
Суммарная
мощность, ГВт
2008
16
2009
23
2010
40
2011
70
2012
100
2013
138
2014
177
2015
277

7. Самые крупные солнечные электростанции в мире

8. Самые крупные солнечные электростанции в мире

9. Самые крупные солнечные электростанции в мире

10. Самые крупные солнечные электростанции в мире

11. Самые крупные солнечные электростанции в мире

12. Российская статистика

Суммарная установленная электрическая мощность
солнечных электростанций ЕЭС России на 1 января
2017 года составляет 75,2 МВт
А также 58 проектируемых и строящихся ГЭС

13. Российская статистика

8 солнечных электростанций, работающих на энергосистему

14. Российская статистика

15. Принцип действия фотоэлемента

Носителями заряда являются электроны (-) и «дырки» (+)

16. Элементы ячейки ФЭП

17. Классификация

18. Параллельное соединение панелей

19. Последовательное соединение панелей

20. Виды фотоэлектрических элементов

Вид фотоэлемента
КПД, выпускаемых в
производственных
масштабах ФЭ
Монокристаллические
17-22%
Поликристаллические
12-18%
Аморфные
5-6%
На основе теллурида
кадмия
10-12%
На основе селенида
меди-индия
15-20%
На основе полимеров
5-6%

21. Монокристаллические фотоэлементы

Монокристаллические кремниевые
батареи представляют собой
силиконовые ячейки, объединенные
между собой. Для их изготовления
используют максимально чистый
кремний. После затвердевания готовый
монокристалл разрезают на тонкие
пластины толщиной 250-300 мкм,
которые пронизывают сеткой из
металлических электродов.

22. Поликристаллические фотоэлементы

Наиболее распространенный тип
Фотоэлементов. Для получения
поликристаллов кремниевый расплав
подвергается медленному охлаждению.
Такая технология требует меньших энергозатрат,
следовательно, и себестоимость кремния,
полученного с ее помощью меньше.
Внутри поликристалла образуются области с
зернистыми границами, которые и приводят
к уменьшению эффективности элементов

23. Аморфные фотоэлементы на основе кремния

Используется не кристаллический
кремний, а силан или кремневодород.
КПД таких батарей составляет всего 56%, но, несмотря на эти недостатки, они
имеют и ряд достоинств:
• Показатель оптического поглощения в
20 раз выше, чем у поли- и
монокристаллов.
• Толщина элементов меньше 1 мкм.
• В сравнении с поли- и
монокристаллами имеет более
высокую производительность при
пасмурной погоде.
• Повышенная гибкость.

24. Фотоэлементы тилурида кадмия

Сегодня батареи на основе CdTe
являются одними из самых
перспективных в земной солнечной
энергетике. Кадмий является
кумулятивным ядом, поэтому идут
споры о токсичности таких батарей.
Значение КПД составляет порядка 11%,
зато стоимость ватта мощности таких
батарей на 20-30% меньше, чем у
кремниевых.

25. Фотоэлементы на основе селена меди индия

Обладают более высоким
кпд (15-20%) по сравнению
с кремниевыми, но и
большей стоимостью.

26. Фотоэлементы на основе полимеров

В качестве светопоглощающих материалов используются
органические полупроводники. Полимерные солнечные
батареи имеют КПД 5-6%.
Но их главными достоинствами считаются:
Низкая стоимость производства.
Легкость и доступность.
Отсутствие вредного воздействия на окружающую
среду.
Применяются полимерные батареи в областях, где
наибольшее значение имеет механическая эластичность
и экологичность утилизации.
Три поколения солнечных элементов
Три поколения солнечных элементов
Три поколения солнечных элементов

30. Электрическая схема замещения

Последовательное сопротивление – внутренне сопротивление
фотоэлемента (0,5…1,0 Ом)
Параллельное сопротивление – шунтирующее сопротивление
при возникновении токов утечки по краям фотоэлемента (200…300 Ом)

31. Электрическая схема замещения

ХХ
QU
U ХХ
AKT
I I L I D e
1
Rпар
.
ID – ток насыщения диода;
Q – заряд электрона = 1,6 • 10-19 Кл;
A – постоянная сглаженного графика модуля;
К – постоянная Больцмана = 1,38 • 10-23 Дж/К;
Т – температура

32. Напряжение холостого хода и ток короткого замыкания

Напряжение холостого хода
IL
U хх A 0,026 ln 1
ID
Ток короткого замыкания
I IL

33. Вольтамперная характеристика

ВАХ сдвигается вниз или вверх в зависимости от
Интенсивности солнечного излучения

34. Энергетическая характеристика фотоэлектрического модуля

P=UI
Максимальная мощность генерируется в
точке перегиба ВАХ
PЭЛ . ВЫХ
РПОГЛ

35. Влияние температуры на ВАХ солнечного модуля

P V I I 0 (1 T ) V0 (1 T )
P P0 1 ( ) T
α = 0,5% на ºС, а β = 0,05% на ºС
P P0 1 0,0045 T

36. Влияние затенения на ВАХ

37. Влияние погодных условий на работу модуля

Даже в самый пасмурный день мощность на
выходе солнечной панели может составлять до
30% от номинальной.

38. Влияние величины нагрузки

39. Системы движения за положением солнца

Одноосные. Привод осуществляет автоматическую
ориентацию панели в одной плоскости (в течение
дня)
Двуосные. Привод осуществляет автоматическую
ориентацию как в течение дня, с востока на запад,
так и в течение года, при перемещении солнца с
севера на юг
Повышают выработку электроэнергии на 40%

41. Варианты СЭС на базе ФЭП

Солнечные батареи заряжают АКБ через
контроллер заряда, а затем энергия
через инвертор передаётся на нагрузку
Солнечные батареи работают на
инвертор, от которого питается
нагрузка, а излишки идут на заряд
аккумуляторов
Гибридная система, включающая
элементы обеих вышеперечисленных

42. Первый вариант

Контроллер
заряда
Инвертор
(12 В/220 В)
ВЛ
QF2
QF1
U
Сеть АС
УКРМ
Блок аккумуляторных
батарей
f
РУ 0,4 кВ
Автобалластная
нагрузка

43. Второй вариант

СЭС
(DC; 12, 24 В)
ВЛ
QF2
Инвертор
(12 В/220 В)
QF1
Контроллер
заряда
Блок аккумуляторных
батарей
U
Сеть АС
УКРМ
f
РУ 0,4 кВ
Автобалластная
нагрузка

44. Третий вариант

ВЛ
QF2
Инвертор
(12 В/220 В)
QF1
УКРМ
f
Контроллер
заряда
Блок АКБ
U
Сеть АС
РУ 0,4 кВ
Автобалластная
нагрузка

45. Солнечная мимикрия

46. Солнечная мимикрия

47. Солнечная мимикрия

48. Солнечная мимикрия

Фотоэлектрические преобразователи терагерцового излучения на основе нанотрубок с нессиметричным контактом

Исследователи Учебно-научного радиофизического центра МПГУ в сотрудничестве с учеными из Курчатовского института, МФТИ и МИЭТ разработали новый подход к созданию датчиков терагерцового излучения на основе углеродных нанотрубок.

Терагерцовое излучение относительно недавно стало использоваться в различных областях жизнедеятельности человека благодаря отсутствию вредного воздействия на биологические объекты, но высоким пространственным разрешением, сравнимым с рентгеновским. Терагерцовое (субмилиметровое) излучение способно проникать на глубины до нескольких сантиметров в биологические ткани, что делает его перспективным для применения в медицинской диагностике. Также активно внедряются ТГц сканеры в системы безопасности. Тем не менее, ограничение распространения терагерцовых сканеров связано с проблемами создания эффективных датчиков терагерцового излучения.

В работе Photothermoelectric Response in Asymmetric Carbon Nanotube Devices Exposed to Sub-THz Radiation, опубликованной в 103 номере журнала Appl. Phys. Lett, предложен относительно простой способ создания эффективного детектора терагерцогво излучения на основе нанотрубок с несимметричной конфигурацией. Чувствительным элементом являются сетки углеродных нанотрубок, выращенные методом осаждения из газовой фазы (CVD). Особенностью изготовленных структур является то, что нанотрубки вблизи одного электрода подвешены на островках окисленного катализатора, в то время, как другой электрод осуществляет контакт к нанотрубкам, лежащим на поверхности оксида кремния. Предполагается, что фотоэлектрический отклик связан с различным режимом нагрева этих двух морфологий под действием излучения возникающей в результате термоЭДС. Вольтватная чувствительность полученных устройств при комнатной температуре составляет до 10 В/Вт. Следующим шагом разработки будет являться улучшение схемы детектора и увеличение его эффективности при комнатных температурах.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМЕ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ РАСЩЕПЛЕНИЕМСОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ | Курин

1. Guter, W. W. Current−matched triple junction solar cell reaching 41,1 % conversion efficiency under contrated sunlight / W. W. Guter, J. Schone, S. P. Philipps, M. Steiner, G. Siefer, A. Wekkeli, E. Welser, E. Oliva, A. W. Bett, F. Dimroth // Appl. Phys. Lett. − 2009. − V. 94, Iss. 22. − P. 223504.

2. Law, D. C. Future technology pathways of terrestrial III–V multijunction solar cells for concentrator photovoltaic systems / D. C. Law, R. R. King, H. Yoon, M. J. Archer, A. Boca, C. M. Fetzer, D. Mesropian, T. Isshiki, M. Haddad, K. M. Edmondson, D. Bhusari, J. Yen, R. A. Sherif, H. A. Atwater, N. H. Karam // Sol. Energy Mater. and Sol. Cells. − 2010. − V. 94, N 8. − P. 1314—1318.

3. Newman, F. D. Optimization of inverted metamorphic multijunction solar cells for field−deployed concentrating PV systems/ F. D. Newman, D. J. Aiken, P. M. Patel, D. R. Chumney, I. Aeby, R. W. Hoffman, P. R. Sharps // Proc. 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. − Philadelphia (PA), 2009. − P. 001611.

4. Lantratov, V. M. Vysokoeffektivnye dvuhperehodnye GaInP/GaAs solnechnye elementy, poluchennye metodom MOS−gidridnoi epitaksii / V. M. Lantratov, N. A. Kalyuzhnyi, S. A. Mintairov, N. H. Timoshina, M. Z. Shvarc, V. M. Andreev // FTP. − 2007. − T. 41, Iss. 6. − P. 751—755.

5. Fraas, I. Demonstration of a 33 % efficient Cassegrainian solar modul / I. Fraas, J. Avery, H. Huang, L. Minkin, E. Shifman // Proc. IEEE 4th World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion. − Hawaii, 2006.

6. Barnett, A. Very high efficiency solar cell modules / A. Barnett, D. Kirkpatrick, C. Honsberg, D. Moore, M. Wanlass, K. Emery, R. Schwartz, D. Carlson, S. Bowden, D. Aiken, A. Gray, S. Kurtz, L. Kazmerski, M. Steiner, J. Gray, T. Davenport, R. Buelow, L. Takacs, N. Shatz, J. Bortz, O. Jani, K. Goossen, F. Kiamilev, A. Doolittle, I. Ferguson, B. Unger, G. Schmidt, E. Christensen, D. Salzman // Progr. Photovolt.: Res. Appl. − 2009. − V. 17, N 1. − P. 75.

7. Groβ, B. Highly efficient light splitting photovoltaic receiver / B. Groβ, G. Peharz, G. Siefer, M. Peters, J. S. Goldschmidt, M. Steiner, W. Guter, V. Klinger, B. George, F. Dimroth // Proc. 24th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conf. − Hamburg, 2009. − P. 130.

8. Wang, X. Outdoor Measurements for High Efficiency Solar Cell Assemblies / X. Wang, N. Wait, P. Murcia, K. Emery, M. Steiner, F. Kiamilev, K. Goossen, C. Honsberg, A. Barnett // Ibid. − Hamburg, 2009. − P. 811.

9. Hvostikov, V. P. Vysokoeffektivnyi (eta = 39,6 %, AM 1.5D) kaskad fotopreobrazovatelei v sisteme so spektral’nym rasshepleniem solnechnogo izlucheniya / V. P. Hvostikov, A. S. Vlasov, S. V. Sorokina, N. S. Potapovich, N. H. Timoshina, M. Z. Shvarc, V. M. Andreev // FTP. − 2011. − T. 45, Iss. 6. − P. 810—815.

10. Barnett, A. Initial test bed for very high efficiency solar cells / A. Barnett, X. Wang, N. Waite, P. Murcia, C. Honsberg, D. Kirkpatrick, D. Laubacher, F. Kiamilev, K. Goossen, M. Wanlass, M. Steiner, R. Schwartz, J. Gray, A. Gray, P. Sharps, K. Emery, L. Kaz merski // Proc. IEEE Photovoltaic Specialists Conf. − San Diego, 2008. − P. 1563.

11. Khvostikov, V. P. Single−junction solar cells for spectrum splitting PV system / V. P. Khvostikov, S. V. Sorokina, N. S. Potapovich, A. S. Vlasov, M. Z. Shvarts, N. Kh. Timoshina, V. M. Andreev // Proc. 25th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition. − Valencia, 2010. − P. 167—171.

12. Brown, G. F. Finite element simulations of compositionally graded InGaN solar cells / G. F. Brown, J. W. Ager, W. Walukiewicz, J. Wu // Sol. Energy Materials and Sol. Cells. − 2010. − V. 94, Iss. 3. − P. 478—483.

13. Shen, X. Simulation of the InGaN-based tandem solar cells / X. Shen, S. Lin, F. Li, Y. Wei, S. Zhong, H. Wan, J. Li // Proc. SPIE 7045. Photovoltaic Cell and Module Technologies II, 70450E. − 2008.

14. Semiconductors on NSM // http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/

Страница не найдена – Эковолна

27 июля состоялась заключительная защита проекта “Спасательное судно на солнечных батареях”. За 3 недели образовательного интенсива команда школьников получила хорошие знания в области судостроения и возобновляемой энергетики. На практике ребята отработали проектирование, моделирование, расчет. Создали систему управления судном, разработали программу и познакомились с технологиями VR.

Работой команды руководили наставники из организаций-партнеров АНО “Национальный центр инженерных конкурсов и соревнований”: Виктор Бендер из Сетевой интерактивной лаборатория NBICS и Екатерина Ионова из Нижегородского детского речного пароходства.

На протяжении смены осваивать знания ребятам помогали не только наставники, но профессионалы судостроительной отрасли. Благодаря партнеру проекта АО “Объединенная Судостроительная Корпорация” перед ребятами выступили ведущие специалисты отрасли судостроения. Преимуществом нашей команды была также возможность получить консультационную поддержку специалистов в проработке проекта.

В области 3D моделирования в образовательной программе была оказана поддержка партнером АНО “Национальный центр инженерные конкурсы и соревнования” разработчиком программного обеспечения “Компас 3D” компанией “Аскон”. Специалисты компании провели общие лекции для потока и также оказали консультационную поддержку проекту “Спасательное судно на солнечных батареях”.

На защите проекта команда выступила уверенно, показав высокий уровень знаний, чем завоевала симпатии экспертов и зрителей. Проект признан победителем в номинации “Лучшее технологическое решение”.

Поздравляем нашу команду с заслуженной победой!

Благодарим всех наших партнеров оказавших поддержку проекту.

Образовательная программа реализована АНО “Национальный центр инженерные конкурсы и соревнования” при поддержке АО “Объединенная Судостроительная Корпорация”.

генеральный партнер:

АО “Объединенная Судостроительная Корпорация”

наши партнеры:

Отраслевой центр “Маринет”, Нижегородское детское речное пароходство, Сетевая интерактивная лаборатория NBICS и компания “Аскон”.

DC-DC преобразователи для возобновляемых источников энергии | Обзор продукта

Доступные продукты

Для решения этих задач проектирования компания CUI разработала семейство готовых решений для электропитания. Серия AE — это линейка преобразователей постоянного тока в постоянный, специально разработанных для поддержки фотоэлектрических систем как на 1000 В постоянного тока, так и на 1500 В постоянного тока, благодаря входным диапазонам от 100 до 1000 В постоянного тока, от 200 до 1200 В постоянного тока или от 200 до 1500 В постоянного тока. Эти сверхширокие входные преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают номинальную мощность от 5 до 40 Вт, при этом имеют изоляцию 5600 В постоянного тока, номинальную работу до 5000 метров и диапазон рабочих температур от -40 до + 70 ° C без снижения номинальных характеристик.Имея доступные выходы 5, 9, 12, 15 или 24 В постоянного тока, детали поставляются в стандартной комплектации с защитой от перенапряжения, перегрузки по току и постоянного короткого замыкания.

Номинальная мощность от 5 до 40 Вт
Полностью инкапсулированные упаковки
Входное напряжение до 1500 В постоянного тока
Диапазон входного напряжения до 10: 1
5600 В пост. Тока изоляция между входами и выходами
Диапазон рабочих температур от -40 до 70 ° C
Номинальная эксплуатация до 5000 метров
Защита от перенапряжения, перегрузки по току, короткого замыкания

Обзор серии AE-EW

Серия

CUI AE-EW доступна в конфигурациях для монтажа на плате, шасси и на DIN-рейке с номинальной мощностью 5, 10, 15 и 40 Вт.Серия имеет изоляцию входа и выхода до 5600 В постоянного тока, диапазон входного напряжения от 100 до 1000 В постоянного тока или от 200 до 1200 В постоянного тока и номинальную работу до 2000 метров. Он также имеет сертификаты безопасности EN 62109-1 и соответствует ограничениям класса A CISPR22 / EN55022 для кондуктивных и излучаемых помех.

Серия	Мощность (Вт)	Выходное напряжение (В постоянного тока)	Изоляция (Vdc)	Входной диапазон (В пост. Тока)	Тип корпуса
AE5-EW	5	5	5600	100 ~ 1000	Монтаж на плате
AE5-EW-T	5	5	5600	100 ~ 1000	Крепление на шасси
AE10-EW	10	5, 9, 24	5600	100 ~ 1000	Монтаж на плате
AE10-EW-DIN	10	5, 9, 24	5600	100 ~ 1000	DIN-рейка
AE10-EW-T	10	5, 9, 24	5600	100 ~ 1000	Крепление на шасси
AE15-EW	15	12, 15, 24	5600	100 ~ 1000	Монтаж на плате
AE15-EW-DIN	15	12, 15, 24	5600	100 ~ 1000	DIN-рейка
AE15-EW-T	15	12, 15, 24	5600	100 ~ 1000	Крепление на шасси
AE40-EW	40	12, 15, 24	4000	200 ~ 1200	Монтаж на плате
AE40-EW-DIN	40	12, 15, 24	4000	200 ~ 1200	DIN-рейка
AE40-EW-T	40	12, 15, 24	4000	200 ~ 1200	Крепление на шасси

Обзор серии AE-UW

Предлагая номинальную мощность 10, 15 и 40 Вт, серия CUI AE-UW размещается в полностью герметичных корпусах для монтажа на плате с изоляцией 5600 В постоянного тока, диапазоном входного напряжения от 200 до 1500 В постоянного тока и номинальным рабочим диапазоном до 5000 метров.Серия AE-UW имеет те же сертификаты безопасности, что и серия AE-EW, и дополнительно разработана в соответствии с UL 1741.

Серия	Мощность (Вт)	Выходное напряжение (В постоянного тока)	Изоляция (Vdc)	Входной диапазон (В пост. Тока)	Тип корпуса
AE10-UW	10	5	5600	200 ~ 1500	Монтаж на плате
AE15-UW	15	12, 15, 24	5600	200 ~ 1500	Монтаж на плате
AE40-UW	40	12, 15, 24	5600	200 ~ 1500	Монтаж на плате

Ingeteam Solar PV Energy

ШИРОКИЙ АССОРТИМЕНТ ИНВЕРТОРОВ (СОЛНЕЧНАЯ ФЭЛЕМЕНТ И ХРАНЕНИЕ) , АДАПТАЦИЯ ДЛЯ ЛЮБЫХ ТИПОВ СИСТЕМЫ: ЖИЛЫЙ, КОММЕРЧЕСКИЙ, ПРОМЫШЛЕННЫЙ И КОММУНАЛЬНЫЙ.

Обладая более чем 48-летним опытом работы в секторе силовой электроники и более чем 30-летним опытом работы в области возобновляемых источников энергии, Ingeteam разработала широкий спектр фотоэлектрических солнечных инверторов и накопительных инверторов с номинальной мощностью от 5 кВт до 7200 кВт.

С 1999 года Ingeteam поставила более 22 ГВт, оборудовав жилые, административные, а также крупномасштабные многомегаваттные фотоэлектрические установки инверторами INGECON® SUN.

Сеть офисов продаж Ingeteam PV стратегически расположена в 24 странах, что обеспечивает эффективное покрытие продаж и послепродажное обслуживание.

Солнечные инверторы

Собственное потребление солнечных батарей

Комплексные решения для собственного потребления энергии для промышленных солнечных фотоэлектрических установок.

Полные решения для собственного потребления энергии для коммерческих солнечных фотоэлектрических установок.

Комплексные решения для самостоятельного потребления энергии для солнечных фотоэлектрических установок в жилых домах.

Решения для автономного энергопотребления для жилых гибридных систем с солнечными батареями и накопителями.

Аккумуляторные инверторы

Однофазный аккумуляторный инвертор с одним или двумя интегрированными фотоэлектрическими входами для жилого и коммерческого использования.

Аккумуляторный инвертор, позволяющий максимально использовать возможности фотоэлектрической установки, обеспечивая стабильность сети даже в пасмурные дни.

Трехфазные аккумуляторные центральные инверторы Ingeteam с двойным блоком питания.

Решение

MV до 6,8 МВА, доступное с инверторами хранения на 1000 В и 1500 В.

Аксессуары и связь

Простое и безопасное подключение фотоэлектрических цепочек 1500 В пост. Тока с контролем тока или без него.

Набор опций для установления связи с фотоэлектрическими инверторами с фотоэлектрической панели, ноутбука, планшета или смартфона.

Приложение Ingeteam для мониторинга солнечных фотоэлектрических установок и систем самопотребления, с батареями или без них.

Программное обеспечение для расчета размеров солнечных фотоэлектрических установок.

Услуги

Выбор подходящего солнечного преобразователя или инвертора

Автор: Сотрудники Управления солнечной энергетики

Установка солнечной энергетической системы может быть сложной задачей.Сейчас на рынке представлено множество различных продуктов, резко различающихся по цене, и может быть сложно ориентироваться в различных частях, необходимых для данной установки.

Два компонента, которые часто путают в домашних условиях, — это солнечные преобразователи и инверторы. Эта статья объяснит основные различия между двумя трансформаторами и даст вам несколько советов при принятии решения, какой из каждого типа купить.

Солнечные преобразователи 101

В солнечной энергетической батарее преобразователь представляет собой электрическое устройство, которое регулирует выходное напряжение постоянного тока (DC) вверх или вниз от входного уровня.Эти преобразователи постоянного тока в постоянный ток, часто называемые контроллерами заряда, могут максимизировать сбор энергии для фотоэлектрических систем и помочь регулировать количество энергии постоянного тока, проходящей через систему. Это означает, что все в системе за пределами контроллера — блоки батарей, инверторы и т. Д. — получают более стабильный ток.

Существует два основных типа контроллеров заряда:

Контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ) : Этот тип устройства в основном представляет собой переключатель, который соединяет солнечную батарею с батареей.Несмотря на то, что эти устройства функциональны, они не отличаются особой сложностью; они не работают, например, для большей эффективности в более или менее солнечное время дня.

Контроллер слежения за точкой максимальной мощности (MPPT): Контроллеры MPPT намного сложнее по функциям. Они могут регулировать потребление энергии, помогая повысить общую эффективность вашей солнечной батареи.

Солнечные инверторы 101

Иногда ошибочно называемые преобразователем, инверторы для солнечных панелей имеют дело не столько с уровнем напряжения, сколько с типом тока, переключая мощность с постоянного на переменный (AC) — то, что большинство бытовых приборов используют для работы.Без солнечного инвертора трудно использовать энергию, получаемую от солнечных батарей.

В солнечных энергетических системах обычно используются три типа инверторов:

Микроинверторы: Микроинвертор — это небольшой инвертор, расположенный рядом с солнечной панелью, который преобразует электричество постоянного тока, производимое одной панелью. Поскольку они работают с отдельными солнечными панелями, микроинверторы позволяют вашему массиву продолжать работать, даже если одна из панелей выйдет из строя. Однако они дороже, чем другие типы солнечных инверторов, и требуют более тщательного обслуживания.

Струнные инверторы: Это обычный тип инвертора как для домашних, так и для коммерческих систем солнечной энергии. Струнные инверторы высокоэффективны, надежны и недороги по сравнению с другими типами инверторов, но у них нет контроля на уровне панели, и их высокое напряжение может представлять потенциальную угрозу безопасности.

Центральные инверторы: Они разработаны для больших массивов и в основном функционируют как более консолидированная версия струнных инверторов. У них низкая капитальная стоимость ватта, они очень эффективны и относительно просты в установке.Недостатками центральных инверторов являются их размер, потенциальное шумовое загрязнение и тот факт, что если одна часть массива выходит из строя, то это может сделать и вся система.

Обратите внимание, что некоторые более современные инверторы солнечной энергии, особенно микроинверторы, также работают как преобразователи MPPT. Эти параметры могут помочь упростить вашу систему и сократить расходы.

Что покупать?

Необходимое вам оборудование во многом будет зависеть от солнечной установки, которую вы хотите запустить. Например, пользователям, которые планируют в значительной степени полагаться на аккумуляторную батарею, вероятно, следует выбрать приличный контроллер заряда MPPT, в то время как те, кто ожидает расширения своего массива в ближайшем будущем, вероятно, захотят перейти на микроинверторы, так как с ними легче добавлять панели. такой тип договоренностей.

Размер необходимого преобразователя или инвертора должен зависеть от того, сколько ватт может генерировать ваша солнечная батарея и сколько ватт использует ваше домашнее хозяйство. Если вы приобретете преобразователь со слишком малой входной емкостью, вы не сможете максимизировать эффективность своего массива и рискуете сжечь устройство. Если у вас слишком малая выходная мощность инвертора, вы не сможете питать всю бытовую технику.

Популярные продукты для солнечных батарей

Вот несколько популярных вариантов преобразователей и инверторов, доступных для покупки в Интернете.Имейте в виду, что не все устройства совместимы со всеми настройками панели, поэтому перед покупкой вам следует проконсультироваться с руководством к панели.

Преобразователи солнечной энергии

Контроллер заряда Morningstar TS-45, 155 долл. США

Этот ШИМ-контроллер может управлять массивами мощностью до 4000 Вт и предназначен для работы как с герметичными, так и с залитыми батареями.

Плюсы: Пользователи высоко оценивают надежность этого устройства.

Минусы: Он работает с технологией ШИМ, которая может быть не такой эффективной, как некоторые устройства MPPT.

Контроллер заряда Renology Tracer на 40 ампер, 189 долларов США

Tracer может потреблять максимум 100 В постоянного тока. Он также имеет различные механизмы безопасности, которые помогают предотвратить перезарядку и разрядку аккумулятора.

Плюсы: Большая входная емкость делает это хорошим выбором для пользователей солнечной энергии, которые могут захотеть расширить свои массивы.

Минусы: Годовая гарантия короче, чем на некоторые другие устройства.

Инверторы солнечной энергии

OutBack Power VFX3648 Vented Off Grid Inverter 3600W 48VDC, $ 2250

Этот инвертор имеет высокую выходную мощность, что делает его отличным вариантом для работы с часто используемыми приборами или электроникой.Он также имеет защищенные от ошибок экранированные отверстия, которые обеспечивают высокую выходную мощность переменного тока даже в самых жарких условиях эксплуатации.

Плюсы: Это отличный инвертор для автономных установок.

Минусы: Очень дорого.

Микроинвертор Enphase M215, 128 долл. США

Этот микроинвертор Enphase, произведенный в 2015 году одной из шести компаний по производству солнечных инверторов Green Tech Media, работает с 60-элементными фотоэлектрическими модулями и работает с высокой эффективностью.

Плюсы: В качестве микроинвертора он обеспечивает больший доступ к информации о функциях отдельной панели, что упрощает выявление системных проблем.

Минусы: В зависимости от размера массива это может быть более дорогостоящим вариантом, поскольку для каждой панели потребуется собственное отдельное устройство.

Не спешите выбирать преобразователь или инвертор для своей солнечной системы. Не торопитесь, и если вы не уверены, подойдет ли тот или иной продукт для вашего массива, обратитесь к специалистам по установке солнечных батарей, чтобы узнать, как организовать вашу конкретную установку.

* Примечание: Управление солнечной энергетики не поддерживает и не дает никаких гарантий в отношении продуктов, перечисленных здесь.

Введение в инверторы для фотоэлектрических (PV) приложений

Инверторы

относятся к большой группе статических преобразователей, в которую входят многие современные устройства, способные «преобразовывать» входные электрические параметры, такие как напряжение и частота, для получения выходного сигнала, совместимого с требованиями нагрузки.

Вообще говоря, инверторы — это устройства, способные преобразовывать постоянный ток в переменный, и они довольно распространены в приложениях промышленной автоматизации и электроприводах.Архитектура и конструкция различных типов инверторов меняется в зависимости от конкретного применения, даже если основная их цель одинакова (преобразование постоянного тока в переменный).

Эта статья знакомит с архитектурой и типами инверторов, используемых в фотоэлектрических приложениях.

Автономные инверторы и преобразователи с подключением к сети

Инверторы

, используемые в фотоэлектрических приложениях, исторически делятся на две основные категории:

Автономные преобразователи
Инверторы, подключенные к сети

Автономные инверторы предназначены для приложений, в которых фотоэлектрическая установка не подключена к основной энергораспределительной сети.Инвертор может подавать электрическую энергию на подключенные нагрузки, обеспечивая стабильность основных электрических параметров (напряжения и частоты). Это удерживает их в заданных пределах, чтобы выдерживать временные перегрузки. В этой ситуации инвертор соединяется с аккумуляторной системой хранения, чтобы обеспечить стабильное энергоснабжение.

Инверторы

, подключенные к сети, с другой стороны, могут синхронизироваться с электрической сетью, к которой они подключены, потому что в этом случае напряжение и частота «навязываются» основной сетью.Эти инверторы должны иметь возможность отключения при выходе из строя основной сети, чтобы избежать любого возможного обратного питания основной сети, которое может представлять серьезную опасность.

Рисунок 1 — Пример автономной системы и системы, подключенной к сети. Изображение любезно предоставлено Biblus.

В настоящее время разница между автономными инверторами и инверторами, подключенными к сети, не так очевидна, потому что многие солнечные инверторы предназначены для работы как в автономных, так и в подключенных к сети условиях.Фактически, некоторые операторы распределительных систем (DSO) позволяют или даже требуют, чтобы определенные генераторы оставались активными в случае отказа сети, чтобы подавать энергию в определенную зону или нагрузку. Эта ситуация называется «автономным режимом работы» и фактически соответствует условиям, описанным для автономного приложения.

Архитектура фотоэлектрического инвертора

Давайте теперь сосредоточимся на конкретной архитектуре фотоэлектрических инверторов. Производители сделали множество различных вариантов дизайна, которые создают огромные различия между несколькими моделями инверторов.Зная это, мы представим основные характеристики и общие компоненты всех фотоэлектрических инверторов.

На рис. 2 показана очень простая архитектура трехфазного солнечного инвертора.

Рисунок 2 — Общая архитектура трехфазного солнечного инвертора

Входная секция инвертора представлена стороной постоянного тока, где соединяются цепочки от фотоэлектрической установки. Количество входных каналов зависит от модели инвертора и его мощности, но даже если этот выбор важен при проектировании установки, он не влияет на работу инвертора.Итак, давайте на время предположим, что все цепочки соединены перед инвертором с предварительной параллельной коробкой, а инвертор имеет только два входа: + и -.

Конвертер MPPT

Первая важная область, на которую следует обратить внимание на инверторе после стороны входа, — это преобразователь с отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT). Конвертеры MPPT — это преобразователи постоянного / постоянного тока, которые имеют конкретную цель максимизировать 1 мощность, вырабатываемую фотоэлектрическим генератором. Обратите внимание, что это конкретное устройство преобразует характеристики электрических параметров на входе в желаемые (обычно оно увеличивает или уменьшает входное напряжение), всегда поддерживая их в режиме постоянного тока.Фактически, мощность фотоэлектрического модуля во многом зависит от климатических условий участка (в основном, освещенности и температуры).

Каждый фотоэлектрический модуль (или цепочка) может быть охарактеризован кривой ВАХ (см. Рисунок 3), где можно определить условия максимальной мощности (Imp, Vmp). Как правило, эта кривая имеется в техническом описании каждого фотоэлектрического модуля и рассчитывается в соответствии со стандартными условиями испытаний, STC: (1000 Вт / м2, 25 ° C, IAM 1.5). Чтобы лучше понять IAM, прочитайте, как работают радиация и распределение энергии в солнечных фотоэлектрических системах.

Рисунок 3 — Пример ВАХ фотоэлектрического модуля. Изображение любезно предоставлено PVEducation.

Как только температура и освещенность отличаются от таковых у STC, напряжение и ток изменяются, в результате чего кривые ВАХ отличаются от кривых STC. На рисунках 4 и 5 показано, как I-V изменяется в зависимости от температуры и освещенности. Очевидно, точка максимальной мощности также изменится, поэтому алгоритм MPPT всегда ищет эту точку, чтобы максимизировать выходную мощность.

Рисунок 4 — ВАХ при разных температурах. Изображение любезно предоставлено PV Education.

Рисунок 5 — ВАХ и кривая мощности при различных облучениях. Изображение любезно предоставлено PV Education.

Метод возмущения и наблюдения

Наиболее распространенным методом достижения непрерывного поиска точки максимальной мощности алгоритма MPPT является метод «возмущать и наблюдать».По сути, с заранее определенной частотой алгоритм нарушает рабочие условия, изменяя напряжение, а затем проверяет, действительно ли новая рабочая точка соответствует более высокой мощности. Если да, то это продолжается таким же образом, изменяя напряжение. Если это увеличение, оно продолжает пытаться увеличиваться. В противном случае он возвращается к предыдущей рабочей точке. Это непрерывное, очень быстрое отслеживание, и каждое изменение напряжения очень небольшое (менее 1 В).

Инверторный преобразовательный мост

Затем мы находим «ядро» инвертора, которым является сам преобразовательный мост.Существует много типов преобразовательных мостов, поэтому я не буду рассматривать различные решения мостов, а сосредоточусь на их общих принципах работы.

На рисунке 2 представлен трехфазный инвертор, а на каждой «ветви» моста расположены два переключающих устройства, обычно MOSFET или IGBT — в настоящее время 3 IGBT являются наиболее популярным решением для солнечных инверторов. Логика управления управляет режимом переключения IGBT таким образом, чтобы производить преобразование постоянного тока в переменный. Наиболее распространенной стратегией переключения для создания синусоидальной формы сигнала из сигнала постоянного тока является широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Инверторный фильтр

Последняя секция инвертора — это секция фильтра, предназначенная для компенсации гармоник, создаваемых всеми предыдущими секциями, и очистки формы выходного сигнала. Переключение IGBT является основным источником гармоник. Он вводит сигналы с более высокой частотой, чем основная.

Как выбрать подходящий солнечный инвертор для фотоэлектрической установки

Чтобы соединить солнечный инвертор с фотоэлектрической установкой, важно проверить соответствие нескольких параметров среди них.

После проектирования фотоэлектрической цепи можно рассчитать максимальное напряжение холостого хода (Voc, MAX) на стороне постоянного тока (в соответствии со стандартом IEC). Итак, первая важная проверка состоит в том, чтобы убедиться, что максимальное напряжение холостого хода, которое может выдержать инвертор, выше, чем напряжение, создаваемое фотоэлектрическим полем:

В OC, MAXPV

Вторая важная проверка — соответствие тока короткого замыкания. Важно убедиться, что максимальный ток короткого замыкания фотоэлектрического поля ниже максимального тока, разрешенного инвертором.Это правило действует для каждого входа инвертора.

ISC, MAXPV

Последние две важные проверки относятся к алгоритму MPPT. Этот алгоритм работает в заранее определенном диапазоне напряжений. Чтобы максимизировать доход, важно убедиться, что максимальное и минимальное напряжение фотоэлектрической системы в условиях MPP (в соответствии с климатическими условиями объекта) находится в пределах диапазона напряжения MPPT. Если этого не произойдет, инвертор по-прежнему будет работать, но установка не будет максимально увеличивать свою производительность.

В MPP, MAXP V ≤ V MPPT, MAXINV

В MPP, MIN PV ≥ V MPPT, MININV

Проверка КПД инвертора

Наконец, важно проверить общую эффективность инвертора. В настоящее время эффективность инверторов, представленных на рынке, очень высока, и некоторые производители заявляют значения около 99%, в то время как более распространенные значения находятся в диапазоне от 97% до 98%. Однако определение эффективности как одного пикового значения не совсем правильно. Истинный КПД зависит от нагрузки и температуры.По этой причине в технических характеристиках инвертора обычно встречаются следующие три характеристики:

Пиковая эффективность
Евро КПД
Эффективность CEC (Энергетическая комиссия Калифорнии)

Пиковая эффективность соответствует эффективности при максимальной мощности инвертора и обычно является номинальным значением, указанным в таблице данных. Эффективность Euro и CEC учитывает различные условия нагрузки инвертора в зависимости от конкретных условий объекта — континентальный европейский климат (для эффективности Euro) и климат в юго-западных регионах США (для эффективности CEC).Таким образом, в основном оба подхода оценивают эффективность инвертора при определенных условиях нагрузки в зависимости от времени, в течение которого инвертор будет работать в этих условиях в данном конкретном месте.

Существуют отличные ресурсы, позволяющие лучше понять формулы эффективности евро и CEC. Эти стандартные методы расчета общей эффективности инвертора дают гораздо более реалистичное значение, чем заявленная пиковая эффективность.

Фотовольтаика | SEIA

Фотоэлектрические (PV) устройства вырабатывают электричество непосредственно из солнечного света с помощью электронного процесса, который естественным образом происходит в определенных типах материалов, называемых полупроводниками.Электроны в этих материалах высвобождаются солнечной энергией и могут перемещаться по электрической цепи, питая электрические устройства или посылая электричество в сеть.

Фотоэлектрические устройства

могут использоваться для питания чего угодно, от небольшой электроники, такой как калькуляторы и дорожные знаки, до домов и крупных коммерческих предприятий.

Как сравнить солнечные инверторы | Как сравнить солнечные панели

Как работает фотоэлектрическая технология?

Фотоны ударяют и ионизируют полупроводниковый материал на солнечной панели, в результате чего внешние электроны вырываются из своих атомных связей.Благодаря полупроводниковой структуре электроны движутся в одном направлении, создавая электрический ток. Солнечные элементы не на 100% эффективны в солнечных элементах из кристаллического кремния, отчасти потому, что только определенный свет в пределах спектра может быть поглощен. Часть светового спектра отражается, часть слишком слабая, чтобы создавать электричество (инфракрасный), а часть (ультрафиолет) создает тепловую энергию вместо электричества.
Схема типичного кристаллического кремниевого солнечного элемента. Для изготовления этого типа ячейки пластины из высокочистого кремния «легируют» различными примесями и сплавляют друг с другом.Полученная структура создает путь для электрического тока внутри и между солнечными элементами .

Другие типы фотоэлектрической техники

Помимо кристаллического кремния (c-Si), существуют два других основных типа фотоэлектрических технологий:

Тонкопленочные фотоэлектрические панели — быстрорастущий, но небольшой сегмент коммерческого солнечного рынка. Многие фирмы, производящие тонкие пленки, являются стартапами, разрабатывающими экспериментальные технологии. Как правило, они менее эффективны, но часто дешевле, чем модули c-Si.
В Соединенных Штатах, концентрирующих массивов PV находятся в основном на юго-западе пустыни. Они используют линзы и зеркала для отражения концентрированной солнечной энергии на высокоэффективные элементы. Для их максимальной эффективности требуется прямой солнечный свет и системы слежения.
Фотоэлектрические элементы, интегрированные в здание, служат как внешним слоем конструкции, так и вырабатывают электроэнергию для использования на месте или экспорта в сеть. Системы BIPV могут обеспечить экономию материалов и затрат на электроэнергию, уменьшить загрязнение и повысить архитектурную привлекательность здания.

История фотоэлектрической техники

Эффект PV наблюдался еще в 1839 году Александром Эдмундом Беккерелем и был предметом научных исследований в начале двадцатого века. В 1954 году Bell Labs в США представила первое солнечное фотоэлектрическое устройство, которое производило полезное количество электроэнергии, а к 1958 году солнечные элементы использовались в различных небольших научных и коммерческих приложениях.

Энергетический кризис 1970-х годов привел к появлению большого интереса к использованию солнечных батарей для производства электроэнергии в домах и на предприятиях, но непомерно высокие цены (почти в 30 раз выше нынешних) сделали крупномасштабные приложения непрактичными.

Промышленные разработки и исследования в последующие годы сделали фотоэлектрические устройства более осуществимыми, и начался цикл увеличения производства и снижения затрат, который продолжается и сегодня.

Затраты на солнечную фотовольтаику

Быстро падающие цены сделали солнечную энергию более доступной, чем когда-либо. Средняя цена готовой фотоэлектрической системы упала на 59 процентов за последнее десятилетие.

Для получения дополнительной информации о состоянии рынка фотоэлектрических солнечных батарей в США посетите нашу страницу данных по солнечной промышленности.

Современная фотогальваника

Стоимость фотоэлектрических систем резко упала, поскольку промышленность увеличила производство и постепенно улучшила технологию с использованием новых материалов. Стоимость установки также снизилась благодаря более опытным и обученным установщикам. В глобальном масштабе США занимают третий по величине рынок фотоэлектрических установок и продолжают быстро расти.

Большинство современных солнечных элементов изготавливаются либо из кристаллического кремния, либо из тонкопленочного полупроводникового материала.Кремниевые элементы более эффективны при преобразовании солнечного света в электричество, но, как правило, имеют более высокие производственные затраты. Тонкопленочные материалы обычно имеют меньшую эффективность, но могут быть проще и дешевле в производстве. Специализированная категория солнечных элементов, называемых многопереходными или тандемными элементами, используется в приложениях, требующих очень малого веса и очень высокой эффективности, таких как спутники и военные приложения. Все типы фотоэлектрических систем сегодня широко используются в самых разных областях.

Сегодня доступны тысячи отдельных моделей фотоэлектрических панелей от сотен компаний. Сравните солнечные панели по их эффективности, выходной мощности, гарантиям и другим параметрам на EnergySage.

Теодореску, Ремус, Лизер, Марко, Родригес, Педро: 9780470057513: Amazon.com: Книги

Достижения в технологии сетевых преобразователей сыграли решающую роль в успешной интеграции возобновляемых источников энергии. Широкое распространение систем возобновляемой энергии требует новых более строгих требований к сетям.Как следствие, сетевые преобразователи должны обладать расширенными функциями, такими как: динамическое управление подачей активного и реактивного тока во время отказов и поддержка сетевых сервисов.

В этой книге объясняются топологии, модуляция и управление преобразователями сети как для фотоэлектрических, так и для ветроэнергетических приложений. Помимо силовой электроники, охват фокусируется на конкретных приложениях в фотоэлектрических и ветроэнергетических системах, где состояние сети является существенным фактором.

При обзоре самых последних требований к сетям для фотоэлектрических и ветроэнергетических систем обсуждаются соответствующие вопросы:

Современные топологии сетевых инверторов для фотоэлектрических и ветряных турбин
Методы обнаружения островков для фотоэлектрических систем
Методы синхронизации, основанные на обобщенных интеграторах второго порядка (SOGI)
Усовершенствованные методы синхронизации с устойчивой работой в условиях дисбаланса сети
Методы резонансного регулятора для управления током и гармонической компенсации
Проектирование сетевых фильтров и методы активного демпфирования
Управление мощностью в условиях неисправности сети с учетом как положительной, так и отрицательной последовательности

На всем протяжении авторы включают практические примеры, упражнения и имитационные модели, а также сопутствующие веб-сайты. описывает дальнейшие методы моделирования с использованием сред MATLAB® и Simulink и программного обеспечения для управления информацией физической безопасности (PSIM).

Сетевые преобразователи для фотоэлектрических и ветроэнергетических систем предназначен в качестве учебного пособия для аспирантов с опытом работы в области электротехники и для профессионалов в развивающейся отрасли возобновляемых источников энергии. Для профессоров, заинтересованных в освоении курса, можно загрузить набор слайдов с веб-сайта.

Сопутствующий веб-сайт

www.wiley.com/go/grid_converters

С задней обложки

Достижения в технологии сетевых преобразователей сыграли решающую роль в успешной интеграции возобновляемых источников энергии.Широкое распространение систем возобновляемой энергии требует новых более строгих требований к сетям. Как следствие, сетевые преобразователи должны обладать расширенными функциями, такими как: динамическое управление подачей активного и реактивного тока во время отказов и поддержка сетевых сервисов.

Современные топологии сетевых инверторов для фотоэлектрических и ветряных турбин
Методы обнаружения островков для фотоэлектрических систем
Методы синхронизации, основанные на обобщенных интеграторах второго порядка (SOGI)
Усовершенствованные методы синхронизации с устойчивой работой в условиях дисбаланса сети
Методы резонансного регулятора для управления током и гармонической компенсации
Проектирование сетевых фильтров и методы активного демпфирования
Управление мощностью в условиях неисправности сети с учетом как положительной, так и отрицательной последовательности

Сопутствующий веб-сайт

www.wiley.com/go/grid_converters

Об авторе

Ремус Теодорецу в настоящее время является адъюнкт-профессором Технологического института Ольборгского университета, преподает курсы силовой электроники и управления электроэнергетическими системами для магистров и докторантов.Он является автором более 80 статей для журналов и конференций и одной книги Power Electronics: Computer Simulations (Technical Press Budapest, 1997), а также имеет 3 патента. Он является основателем и координатором Лаборатории зеленой энергии в Университете Ольборга, специализирующейся на разработке и тестировании сетевых преобразователей для систем возобновляемой энергии, а также со-получателем награды Технического комитета на ежегодном собрании IEEE IAS в 1998 году, а также IEEE Optim 2002. Его исследовательские интересы связаны с проектированием и управлением преобразователями энергии, используемыми в системах возобновляемой энергии, распределенной генерации, компьютерном моделировании и внедрении цифрового управления.

Марко Лизер в настоящее время является доцентом Политехнического института Бари, Италия, преподает курсы базовой и продвинутой силовой электроники и промышленной электроники. Его исследовательские интересы лежат в области управления преобразователями мощности и приводов, качества электроэнергии и распределенной генерации, и он является автором 70 статей по этим темам, 13 из которых были опубликованы в международных журналах. Он работал над несколькими проектами, финансируемыми правительством Италии, а также читал лекции в Ольборгском университете, Делфтском университете и Варшавском технологическом университете.Он является редактором информационного бюллетеня Общества промышленной электроники и младшим редактором журнала IEEE Transactions on Industrial Electronics.

Педро Родригес получил степень магистра. и к.т.н. степень в области электротехники Технического университета Каталонии (UPC), Испания. В настоящее время он является доцентом кафедры электротехники в UPC, где он возглавляет центр по системам возобновляемой электроэнергии (REES). Он оставался исследователем в Департаменте энергетических технологий (DET) Университета Ольборга (Дания), что привело к тесному сотрудничеству в исследованиях.В настоящее время он является постоянным приглашенным профессором в DET, где он участвует в качестве соруководителя в программе Vestas Power. Его исследовательская деятельность находится в области электронных процессоров питания, применяемых в системах распределенной генерации электроэнергии, в основном сосредоточившись на разработке контроллеров для сетевых интерактивных процессоров питания, разработке процессоров питания на основе силовой электроники для источников зеленой энергии и предложении новых технических решений для улучшения стабильность и качество электроэнергии в электрических сетях.

Информационный бюллетень о фотоэлектрической энергии

| Центр устойчивых систем

Солнечную энергию можно использовать двумя основными способами. Во-первых, солнечные тепловые технологии используют солнечный свет для нагрева воды для бытовых нужд, обогрева помещений в зданиях или нагрева жидкостей для приведения в действие турбин, генерирующих электричество. Во-вторых, фотоэлектрические элементы (ФЭ) — это полупроводники, которые генерируют электрический ток от солнечного света. Только 1,8% электроэнергии в США было произведено с помощью солнечных технологий в 2019 году. ¹

Солнечные ресурсы и потенциал

В среднем 1.73 x 105 тераватт (ТВт) солнечной радиации постоянно падает на Землю, в то время как глобальный спрос на электроэнергию составляет в среднем 2,6 ТВт. ^3,4
Пик спроса на электроэнергию приходится на полдня, что приводит к ее избытку и дефициту. Хранение энергии и прогнозирование спроса помогут согласовать производство фотоэлектрических систем со спросом. ⁵
При совместном размещении с центрами нагрузки солнечные фотоэлектрические системы могут использоваться для снижения нагрузки на распределительные сети, особенно во время пикового спроса. ⁶
Эффективность преобразования PV — это процент солнечной энергии, которая преобразуется в электричество.⁷
Хотя большинство коммерческих панелей имеют эффективность от 15% до 20%, некоторые исследователи разработали фотоэлектрические элементы с эффективностью, приближающейся к 50%. ^8,9
Предполагая промежуточную эффективность, фотоэлектрические станции, покрывающие 0,6% территории США, будут вырабатывать достаточно электроэнергии для удовлетворения национального спроса. ¹⁰
В 2011 году Министерство энергетики США объявило об инициативе SunShot. Его цель состояла в том, чтобы снизить стоимость солнечной энергии на 75%, сделав ее конкурентоспособной по сравнению с другими вариантами энергии.В 2017 году Министерство энергетики объявило, что цель по установке солнечной энергии для коммунальных предприятий по цене 0,06 долл. США / кВтч на 2020 год была достигнута на три года раньше, чем ожидалось. Цель к 2030 году включает снижение уровня солнечной энергии в коммунальных предприятиях до 0,03 доллара за кВтч, что дешевле, чем электричество из ископаемых источников энергии. ¹¹

Среднегодовая солнечная радиация

Фотоэлектрические технологии и влияние

Фотоэлементы

Фотоэлементы изготовлены из полупроводниковых материалов, которые выбрасывают электроны, когда фотоны ударяются о поверхность, создавая электрический ток.¹⁵
Большинство фотоэлементов имеют небольшие размеры, прямоугольную форму и вырабатывают несколько ватт электроэнергии постоянного тока. ¹⁶
Фотоэлектрические элементы также включают электрические контакты, которые позволяют электронам течь к нагрузке, и поверхностные покрытия, уменьшающие отражение света. ¹⁵
Для фотоэлектрических элементов можно использовать различные полупроводниковые материалы, включая кремний, диселенид меди, индия, галлия (CIGS), теллурид кадмия (CdTe) и даже некоторые органические соединения (OPV).¹⁵ Хотя эффективность преобразования фотоэлектрических систем является важным показателем, экономическая эффективность — стоимость ватта мощности — более важна для большинства приложений.

ТИПЫ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФЭИ-ТЕХНОЛОГИЙ

^9,12

Схема фотоэлементов

¹²

Фотоэлектрические модули и система балансировки (BOS)

Фотоэлектрические модули обычно содержат прямоугольную сетку от 60 до 72 ячеек, соединенных в несколько параллельных цепей и ламинированных между прозрачной передней поверхностью и структурной задней поверхностью.Обычно они имеют металлический каркас и весят от 34 до 62 фунтов. ¹⁷
Фотоэлектрическая матрица — это группа модулей, электрически соединенных и прикрепленных к жесткой конструкции. ¹⁸
Компоненты BOS включают в себя любые элементы, необходимые в дополнение к фактическим фотоэлектрическим панелям, такие как провода, соединяющие модули, распределительные коробки для объединения цепей, монтажное оборудование и силовую электронику, которая управляет выходом фотоэлектрической матрицы. ¹⁸
Инвертор — это силовое электронное устройство, которое преобразует электричество, вырабатываемое фотоэлектрическими системами, из постоянного тока в переменный (AC).¹⁸
Контроллер заряда — это силовое электронное устройство, используемое для управления накоплением энергии в батареях, которые сами могут быть компонентами BOS. ¹⁸
В отличие от монтируемых в стойку фотоэлектрических массивов, Building Integrated PV (BIPV) заменяет строительные материалы (например, черепицу) для улучшения эстетики фотоэлектрических модулей и снижения затрат. ¹⁹
В некоторых наземных фотоэлектрических батареях используется солнечный трекер. Эта технология может увеличить выход энергии на целых 100%.²⁰

2,2 кВт Бытовая система BIPV

¹⁴

Установка, производство и стоимость фотоэлектрических систем

В 2019 году мировая мощность фотоэлектрических систем выросла более чем на 115 ГВт и достигла 633,7 ГВт. С 2000 года мощность солнечных панелей выросла почти в 400 раз. ²³
Лучшими установщиками в 2019 году были Китай (30,1 ГВт), США (13,3 ГВт) и Индия (8,9 ГВт). ²³
Количество новых фотоэлектрических установок выросло на 13% в 2019 году и составило 48% от общемирового прироста мощностей электростанций.Даже при таком значительном росте солнечная энергия составляет всего 2,6% от мирового производства электроэнергии. ²³
Стоимость солнечной энергии упала почти на 89% с 2009 года. По всему миру были подписаны различные контракты с ценами на солнечную энергию всего 1-2 цента / кВтч; это намного дешевле обычных источников питания. ²³ Для сравнения, розничная цена на электроэнергию в США в 2019 году составляла в среднем 10,60 / кВтч для всех секторов и 13,04 / кВтч для бытовых потребителей. ¹
В 2019 году мировые инвестиции в солнечную энергетику упали до 131 доллара.1000000000. Частично это является результатом снижения капитальных затрат на фотоэлектрические системы. ²⁶
В 2018 году на производстве фотоэлектрических систем / компонентов в США работало 34000 человек. ¹⁸

Мировая совокупная установленная фотоэлектрическая мощность

^21,22,23,24

Средняя установленная цена, фотоэлектрические системы для жилых, коммерческих и коммунальных предприятий

²⁵

Энергоэффективность и воздействие на окружающую среду

Коэффициент чистой энергии сравнивает выработку энергии в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы с потребляемой ею первичной энергией в течение жизненного цикла.Одно исследование показывает, что фотоэлектрические модули из аморфного кремния вырабатывают от 3 до 6 раз больше энергии, чем требуется для их производства. ²⁷
Переработка мультикристаллических элементов может снизить производственную энергию более чем на 50%. ²⁸
Хотя загрязняющие и токсичные вещества выделяются во время производства фотоэлектрических систем, выбросы в течение жизненного цикла являются низкими. Например, выбросы в течение жизненного цикла тонкопленочного CdTe составляют примерно 14 г CO ₂ e / кВтч, что намного ниже таких источников электроэнергии, как уголь (1001 г CO ₂ e / кВтч).^29,30
Фотоэлектрические установки могут иметь меньшее воздействие на окружающую среду, чем производство электроэнергии на ископаемом топливе; например, термоэлектрические станции используют в среднем 15 галлонов воды на выработанный кВтч. ³¹

Решения и устойчивые действия

Политика поощрения возобновляемых источников энергии

Цена, которую платят потребители за электроэнергию, не покрывает такие внешние эффекты, как стоимость последствий для здоровья в результате загрязнения воздуха, ущерба окружающей среде в результате добычи ресурсов или длительного хранения ядерных отходов.³² Программы экологически чистой энергии с оценкой собственности (PACE) позволяют владельцам собственности финансировать первоначальные затраты на солнечную установку посредством добровольной оценки ежегодных налогов на недвижимость. ³³ Зеленые банки и другие кредитные учреждения разрабатываются специально для финансирования и поддержки проектов чистой энергии на местном, региональном и национальном уровнях. ³⁴
Политика ограничения выбросов углекислого газа и торговли ими будет работать в пользу фотоэлектрических модулей за счет увеличения стоимости производства энергии из ископаемого топлива.³⁵
Политические стимулы в области фотоэлектрической энергии включают стандарты портфеля возобновляемых источников энергии (RPS), зеленые тарифы (FIT), скидки за мощность и чистые измерения. ³⁶
- RPS требует, чтобы поставщики электроэнергии получали минимальную часть своей энергии из возобновляемых источников к определенной дате.
- FIT устанавливает минимальную цену за киловатт-час, которую розничные поставщики электроэнергии должны платить производителям электроэнергии из возобновляемых источников.
- Скидки за мощность — это единовременные авансовые платежи для проектов строительства возобновляемых источников энергии, основанные на установленной мощности (в ваттах).
- При использовании нетто-измерений владельцы фотоэлектрических модулей получают кредит от коммунального предприятия (до годового потребления энергии) за энергию, возвращаемую в сеть.

Что вы можете сделать

«Зеленое ценообразование» позволяет клиентам платить за электроэнергию больше, что поддерживает инвестиции в технологии возобновляемых источников энергии. Сертификаты возобновляемой энергии (REC) можно приобрести, чтобы «компенсировать» потребление электроэнергии товарами и помочь возобновляемой энергии стать более конкурентоспособной. ^37,38

Технологии будущего

Две появляющиеся фотоэлектрические технологии — это двухуровневые фотоэлектрические модули и концентраторная фотоэлектрическая технология (CPV).Двусторонние модули могут собирать свет с обеих сторон фотоэлементов, что может улучшить выработку электроэнергии в зависимости от условий окружающей среды. CPV использует недорогую оптику для концентрации света на небольшом солнечном элементе. Уменьшая площадь необходимой фотоэлектрической ячейки, можно сосредоточить больше ресурсов на высокоэффективных ячейках. ^38,39

Вт — единица мощности или скорость потока энергии. 1 ТВт = 1000 ГВт = 1000000 МВт = 1000000000 кВт.
киловатт-час — единица энергии. 1 кВтч — это электроэнергия, необходимая для освещения 100-ваттной лампочки в течение 10 часов.