Солнечные фотоэлектрические системы являются одним из наиболее широко рассматриваемых и установленных примеров возобновляемых технологий в мире. Но для некоторых то, как они на самом деле работают, может быть загадкой - почти волшебством.
Но на самом деле это не обязательно. Как именно они работают и из чего состоит фотоэлектрическая система, на самом деле довольно интересно.
Итак, если вы когда-нибудь задумывались, что такое солнечная фотоэлектрическая система или как она работает, то мы составили очень краткое руководство, которое поможет вам разобраться с основами.
Наслаждаться.
Как на самом деле работают солнечные фотоэлектрические панели?
Проще говоря, солнечные фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет в электричество посредством процесса, известного как фотогальванический (PV) эффект. Тесно связанный с фотоэлектрическим эффектом, фотоэлектрический эффект был впервые продемонстрирован еще в конце 1830-х годов Эдмондом Беккерелем.
Беккерель заметил, что, когда пластины из платины или золота погружаются в кислые, нейтральные или щелочные растворы и подвергаются воздействию солнечного излучения, может генерироваться небольшой электрический ток. Чуть позже, в 1880-х годах, Чарльзу Фриттсу удалось разработать первый настоящий солнечный элемент из селена, покрытого тонким слоем золота.
Хотя эта панель и работала, ее эффективность была очень низкой.
Современные солнечные панели работают, когда фотоны солнечного света выбивают электроны из атомов, создавая поток электричества. Панели на самом деле состоят из более мелких блоков, называемых фотогальваническими элементами. Эти солнечные элементы представляют собой сэндвич из полупроводников, сделанных из кремния, «легированного» другими материалами.
Бор или индий обычно добавляют в один слой, придавая ему положительный заряд. По сути, добавление атома бора к группе атомов кремния создает «дырку» - пространство, которое в чистом кремнии было бы занято электроном. Это называется легированием p-типа или полупроводником p-типа (p означает положительный). Другой слой обычно легирован фосфором или мышьяком, который добавляет к этому слою дополнительные электроны или отрицательный заряд (это называется легированием n-типа или полупроводником n-типа для отрицательного).
Слияние двух слоев создает электрическое поле в месте соединения, которое называется p-n переходом. При воздействии света в этом соединении генерируется электрическое поле, поскольку электроны поглощают энергию фотонов и отрываются от своего «родительского» атома.
Этот процесс оставляет «дыру» в валентных связях материала, из которого вышел атом. Из-за существовавшего ранее электрического поля в p-n переходе эти электроны и «дырки» движутся в противоположных направлениях - электрон на n-сторону, а «дырка» на p-сторону.
Это движение электрона создает электрический ток в клетке. Металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и передают их по проводам, позволяя электронам течь, как любой другой источник электричества.
Интересно, что эффективность большинства фотоэлементов тем выше, чем они меньше, поэтому каждая фотоэлектрическая панель обычно состоит из множества маленьких ячеек. Если вы внимательно посмотрите на солнечную панель, вы сможете увидеть все меньшие фотоэлементы, составляющие основную панель.
Обычно изготавливаемые из легированного кремния (хотя могут использоваться германий, сульфид свинца и другие полупроводники), фотоэлементы являются основой любой современной фотоэлектрической панели.
Подробнее об этом в следующем разделе.
Из каких материалов изготавливаются фотоэлектрические панели?
PV-панели, как и любая другая технология, представляют собой смесь разных материалов, из которых состоят разные части, от фотоэлемента до рамы и всего, что между ними. Однако, когда задают подобный вопрос, большинство людей имеют в виду, что это за волшебный ингредиент, который дает фотоэлектрической панели ее, казалось бы, волшебную способность создавать электричество из солнечного света.
Этот чудо-материал также является одним из самых распространенных веществ на Земле - кремнием. Фактически, он составляет около 30% земной коры, плюс-минус.
Кремний является вторым по распространенности материалом на планете после кислорода, но редко встречается в природе в свободном состоянии. Обычно он встречается в сочетании с другими элементами, образуя один из множества минералов кремнезема, составляющих земную кору.
Он также обладает некоторыми интересными физическими и электрохимическими свойствами, которые делают его очень удобным для создания электроники.
Одним из них является тот факт, что это полупроводник. Полупроводник, как следует из названия, представляет собой любой материал, который имеет проводимость между диэлектриком (например, керамикой) и проводником (например, металлом).
Будучи металлоидом (ни металлом, ни неметаллом), кремний разделяет некоторые свойства обоих - отсюда и его роль полупроводника.
Это означает, что, хотя он может проводить электричество, хотя и хуже, чем металлы, его способность делать это увеличивается с повышением температуры (в отличие от металлов).
По этой причине кремний используется для изготовления многих важных электрических компонентов, включая транзисторы, которые усиливают или переключают электрические токи и являются основой всех типов электроники, от радиоприемников до iPhone.
Что касается солнечных батарей, чистый кремний плохо проводит электричество. Чтобы преодолеть это, большинство солнечных элементов смешивают кремний с другими элементами, такими как галлий или мышьяк, чтобы получить либо слои с дефицитом электронов, либо слои с высоким содержанием электронов соответственно. Как мы видели, это важно для создания электронно-дырочных пар, которые генерируют электрические поля.
Несмотря на то, что кремний очень распространен, существуют некоторые ограничения на использование кремния в качестве основного материала для солнечных элементов. Основная из них заключается в том, что панели по своей природе хрупкие и жесткие. Среди прочего, это может усложнить транспортировку и установку.
Обычно солнечные элементы на основе кремния выпускаются в нескольких различных формах в большинстве имеющихся на рынке солнечных панелей. Это включает:
- Монокристаллические солнечные элементы. Сделанные из почти чистого кремния, это наиболее эффективная форма солнечной панели, но, как правило, самая дорогая. Эти панели обычно довольно темного цвета и имеют самый долгий срок службы (часто более 25 лет).
- Поликристаллические солнечные элементы - также известные как поликремниевые или мультикремниевые элементы, были первым коммерчески доступным типом. Они более доступны по цене, чем монокристаллические панели, но менее эффективны и обычно занимают больше места. Эти панели также имеют относительно низкую термостойкость по сравнению с монокристаллическими панелями.
- Аморфные солнечные элементы. Состоящие из неструктурированных кристаллов кремния, эти панели легче устанавливать и транспортировать, но их эффективность намного ниже по сравнению с двумя другими формами. Такие панели используются в относительно дешевой электронике на солнечной энергии, такой как карманные калькуляторы и другие тонкопленочные устройства. Они относительно дешевы в производстве, но наименее эффективны. Их ограничения можно преодолеть, поставив несколько из них друг на друга, и они также имеют тенденцию быть менее хрупкими и жесткими, чем другие формы солнечных элементов.
Выбор типа обычно является компромиссом между стоимостью производства и установки и приемлемым пределом эффективности выработки электроэнергии.
Органические солнечные батареи могут стать будущим солнечных фотоэлектрических батарей
Солнечные элементы на основе кремния составляют подавляющее большинство существующих фотоэлектрических панелей, но это не единственный вид существующих солнечных фотоэлектрических панелей. Одна восходящая звезда называется органическим солнечным элементом/панелью.
Органические солнечные элементы, или сокращенно OSC, представляют собой захватывающую разработку в мире возобновляемых технологий. Эта технология, обычно изготавливаемая из специальных проводящих органических полимеров или небольших органических молекул, позволяет производить более легкие и гибкие солнечные панели.
OSC, хотя и являются относительно новыми, также имеют более высокую эффективность на единицу площади по сравнению с более традиционными фотоэлектрическими панелями. Существующие OSC, как правило, являются очень сильными поглотителями света, и многие эксперты в этой области рекламируют их как будущее солнечной технологии.
Из-за особенностей конструкции органические солнечные элементы/панели имеют и другие неотъемлемые преимущества по сравнению с неорганическими аналогами. Прежде всего, это их легкий вес, гибкость, покрытие большой площади и низкая стоимость производства.
Некоторые органические солнечные элементы изготавливаются с использованием процесса, называемого рулонным производством. Этот процесс значительно дешевле, чем обычное производство неорганических солнечных элементов, и позволяет производить органические солнечные элементы большой площади.
Органический солнечный элемент, иногда называемый пластиковым солнечным элементом, представляет собой тип полимерного солнечного элемента, в котором используется органическая электроника. Это раздел электроники, который имеет дело с проводящими органическими полимерами или небольшими органическими молекулами для поглощения света и переноса заряда для производства электричества из солнечного света посредством фотогальванического эффекта.
Это позволяет органическим фотоэлектрическим элементам преобразовывать солнечную энергию в электрическую более эффективно, чем другие типы солнечных элементов, включая кремниевые элементы, используемые в большинстве распространенных солнечных панелей.
Однако современные системы OSC, как правило, имеют более короткий ожидаемый срок службы по сравнению с более традиционными панелями на основе кремния. Это связано с их более низкой стабильностью и меньшей прочностью.
Еще одна проблема, связанная с OSC, заключается в их относительных коэффициентах экстинкции материала (мера потери света из-за рассеяния и поглощения на единицу объема). Материалы с более высокими коэффициентами поглощения легче поглощают фотоны, которые возбуждают электроны в зону проводимости. Коэффициент ослабления OSC пока не так хорош, как у солнечных панелей на основе кремния.
Однако важно отметить, что OSC все еще находятся в стадии разработки, и прорывы в новых материалах, методах обработки и архитектуре устройств, вероятно, исправят этот недостаток.
OSC также можно использовать для некоторых интересных приложений, которые были бы невозможны с неорганическими солнечными панелями. Например, их можно сделать прозрачными и настроить для определенных длин волн света.
Это может найти применение в таких конструкциях, как теплицы, где панели OSC могут образовывать основное остекление конструкции. Такая установка может позволить световым волнам, обычно используемым растениями, проникать через панели OSC, а другие длины волн использовать для выработки электроэнергии.
Они также могут быть легко интегрированы в портативные электронные устройства, а это означает, что потребители смогут питать/заряжать свою электронику на ходу - даже в условиях низкой освещенности.
Каковы основные компоненты фотоэлектрической солнечной панели?
И так, к главному событию.
Хотя солнечные фотоэлектрические установки могут различаться по форме и конструкции, типичная солнечная фотоэлектрическая система обычно состоит из следующих ключевых компонентов.
1. Фотоэлементы - это буквально лицо фотоэлектрической установки
Солнечные батареи или фотоэлементы являются основными рабочими лошадками любой солнечной фотоэлектрической системы. Это биты, которые наиболее заметны при установке на крышах зданий или, в некоторых случаях, на стенах или даже на земле.
Работа фотоэлементов заключается в преобразовании солнечного света в электричество. Они делают это, используя описанный выше процесс, то есть фотоэлектрический эффект.
Большинство солнечных фотоэлементов изготовлены из смеси кремния, алюминия (для каркаса) и полимерной подложки. Солнечные фотоэлементы могут сильно различаться по размеру, цвету и форме, но все они имеют одинаковую базовую конструкцию.
Размер солнечной панели обычно определяется максимальным диапазоном мощности, на которую рассчитана панель. Как правило, для бытовых приложений мощность может варьироваться от 200 до 400 Вт на панель, хотя большинство из них обычно составляет около 260 Вт.
Помимо основных компонентов солнечного элемента, солнечные элементы, как правило, располагаются между герметизирующими слоями - металлическими опорными пластинами и передними слоями закаленного стекла. Затем все эти слои скрепляются вместе, как правило, в алюминиевой раме.
2. Монтажные стойки, очевидно, тоже очень важные компоненты
Хорошо иметь панели, но, как правило, вам нужно что-то, на что их можно установить, и способ ориентации панелей. Именно здесь монтажные стойки жизненно важны.
Системы крепления на крыше являются наиболее распространенными, поскольку установка на крыше обычно считается более эстетичной и эффективной, чем установка на земле. Они также используют «неиспользуемое» пространство в существующих постройках, таких как дома, без необходимости использования ценных земель или зеленых насаждений.
Однако монтируемые на крыше системы обычно труднее обслуживать из-за их возвышенного и часто недоступного расположения. Другие способы крепления, такие как установка на опоре и, конечно же, установка на земле, также довольно распространены.
Последняя является самой простой формой монтажной системы для установки и, в конечном счете, самой простой для долгосрочного обслуживания и ремонта. Однако у них есть обратная сторона: они занимают пространство на земле, которое можно использовать для чего-то другого, например, для другого здания, парковой зоны, сельскохозяйственных угодий и т. д.
Какое бы место установки ни было выбрано, большинство стеллажных систем, как правило, либо стационарные, либо направляющие. Первый, как следует из названия, «фиксирует» панели на заданной высоте и под заданным углом, и поэтому они не могут двигаться по направлению к Солнцу.
Солнечные панели работают лучше всего, когда солнечный свет падает прямо на панель. Это все хорошо для фиксированного источника света, но если полагаться на Солнце (которое постоянно движется относительно панели), это может быть почти невозможно поддерживать в течение дня и года с фиксированной системой.
По этой причине стационарные системы часто устанавливаются под заданным углом, что является своего рода компромиссом для универсального использования. Обычно это около 37 градусов.
Системы крепления слежения, с другой стороны, могут отслеживать движение Солнца в течение дня и года, постоянно перемещая направление их взгляда. Они также могут регулировать угол наклона для поддержания оптимального угла падения в течение всего года.
3. Инвертор - рабочая лошадка любой системы солнечных батарей
Солнечные панели - это здорово, но электричество, которое они производят, имеет тенденцию быть прямой энергией (DC). В то время как постоянный ток может использоваться для некоторых приложений, большинство солнечных панелей устанавливаются с целью обеспечения пригодной для использования электроэнергии для дома или коммерческих помещений.
Это означает, что для преобразования постоянного тока в переменный ток (AC) требуется другая технология. Это работа инвертора.
Инвертор - это трудолюбивый элемент комплекта, который находится в почти постоянной работе в течение всего срока службы типичной солнечной панели. По этой причине, если система солнечных батарей по какой-либо причине выходит из строя, главным виновником обычно является инвертор.
По этой причине гарантия на большинство инверторов, как правило, короче, чем на саму основную панель - об этом следует помнить, если вы планируете установить солнечную систему.
В системе солнечных панелей обычно используются два различных типа инверторов. Их называют струнными инверторами и микроинверторами.
Первые являются более крупными устройствами и обычно устанавливаются на стене, на крыше или в затененном месте. Как следует из названия, эти инверторы преобразуют «цепочку» электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрической батареей, а не каждой панелью.
Микроинверторы, с другой стороны, устанавливаются на каждой панели (обычно сзади). Это позволяет преобразовывать постоянный ток для каждой панели перед подачей в здание или в сеть.
Хотя у обоих типов есть свои плюсы и минусы, одним из основных преимуществ микроинверторов является тот факт, что когда некоторые панели затеняются в системе струнного инвертора, это напрямую влияет на эффективность всех панелей. Это не относится к микроинверторам, где затрагиваются только заштрихованные панели.
4. Счетчик коммунальных услуг измеряет, сколько сока производят панели
Независимо от того, имеет ли ваша солнечная фотоэлектрическая система аккумуляторную батарею или нет, в нее будет встроен какой-либо счетчик коммунальных услуг для измерения потребления электроэнергии на объекте. Счетчики, установленные на объектах с солнечными фотоэлектрическими батареями, также будут регистрировать количество электроэнергии, вырабатываемой панелями, и, в некоторых случаях, позволят вам экспортировать любую избыточную энергию обратно в сеть.
В зависимости от того, в какой точке мира вы живете, и от договоренности с вашим поставщиком электроэнергии, вам, как правило, будут платить за любую избыточную энергию, которую вы экспортируете, что приятно.
5. Аккумуляторы становятся все более важной частью системы солнечных батарей
Одним из основных недостатков возобновляемых технологий, таких как солнечные фотоэлементы, является их ненадежность в неблагоприятных условиях окружающей среды. В случае с солнечными батареями отсутствие солнечного света (т. е. ночью) обычно означает, что они фактически становятся очень дорогой черепицей и не более того на большую часть времени.
Чтобы бороться с этим, солнечные фотоэлектрические батареи все чаще комбинируют с той или иной формой аккумуляторной системы хранения. Эта настройка означает, что электроэнергию можно хранить и использовать позже, не прибегая к использованию электричества, поставляемого сетью, когда солнце садится.
В случае Powerwall от Tesla такие системы также предлагают резервную защиту для мест, которые также страдают от частых отключений электроэнергии.
Более часто называемые системами накопления энергии, солнечные фотоэлектрические батареи эффективно накапливают избыточную электроэнергию от фотоэлектрических панелей для последующего использования. Известные имена на рынке включают такие компании, как Samsung и Tesla, и многие энергетические компании также будут предлагать комбинированные комплекты солнечных батарей и фотоэлектрических батарей.
Батареи, как правило, бывают одной из нескольких форм, но, безусловно, наиболее распространенными являются перезаряжаемые литий-ионные. Это связано с их относительно небольшими размерами и отличной способностью накапливать электроэнергию.
Однако перед их установкой необходимо принять во внимание некоторые соображения. Например, если большая часть энергии, вырабатываемой фотоэлектрической батареей, фактически потребляется в течение дня или используется для нагрева воды, то батарея может оказаться нерентабельной.
6. Контроллер заряда также является очень важным компонентом любой солнечной фотоэлектрической системы
Для фотоэлектрических систем, в которые также встроена система хранения аккумуляторов, контроллеры заряда являются еще одной важной частью системы. В первую очередь задача защиты аккумуляторных батарей от перезарядки, они постоянно регулируют зарядную емкость батареи и соответствующим образом регулируют питание.
Когда батарея полностью заряжена, контроллер заряда автоматически отключит питание фотоэлектрических панелей, чтобы предотвратить необратимое повреждение батарей.
Контроллеры заряда, как правило, бывают двух видов: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и отслеживание точки максимальной мощности (MPPT). Первый больше подходит для небольших фотоэлектрических батарей бытового масштаба и имеет тенденцию варьироваться от 4 до 60 ампер.
Последний больше подходит для более крупных установок с более высоким напряжением - часто до 160 вольт постоянного тока.
И это, инициаторы солнечной фотоэнергетики, ваш удел на сегодня.
Теперь, когда у вас есть общее представление о том, что такое солнечная фотоэлектрическая система и каковы ее основные компоненты, вы можете захотеть изучить потенциальную установку такой системы у себя дома?