Күн панельдері және фотоэлектрлік қуат өндіру технологиясына шолу（QUENENG）

1. Фотоэлектрлік электр энергиясын өндірудің даму тарихы және қазіргі жағдайы

1954 жылы бірінші практикалық фотоэлектрлік (PV) ұяшықты ойлап тапқаннан бері күн фотоэлектрлік электр энергиясын өндіру технологиясы айтарлықтай прогреске қол жеткізді. Дегенмен, күн энергиясының дамуы компьютерлер немесе талшықты оптика сияқты салалардағы жылдам жетістіктермен салыстырғанда баяу болды. Бұл ішінара ақпаратқа деген сұраныстың ерекше күшті болуымен және әдеттегі энергия көздері адамның қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін жеткілікті болғандықтан. 1973 жылғы мұнай дағдарысы және 1990 жылдардағы қоршаған ортаның ластану мәселелері күн фотоэлектрлік қуатының дамуын айтарлықтай жеделдетті. Төменде күн фотоэлектрлік технологиясының тарихындағы негізгі кезеңдері берілген:

• 1893: Француз ғалымы Беккерель «фотоэлектрлік әсерді» ашты.
• 1876: Адамс және басқалары металдар мен селенге қатты дененің фотоэлектрлік әсерін ашты.
• 1883: Алғашқы «селен фотоэлектрлік элементі» жасалды, сенсорлық құрылғы ретінде қолданылды.
• 1930: Шоттки Cu2O кедергілеріндегі «фотоэлектрлік эффект» теориясын ұсынды.
• 1954: Bell Labs 6% тиімділігі бар бірінші практикалық бір кристалды кремний күн батареясын жасады.
• 1962: Галлий арсенидті күн батареяларының фотоэлектрлік түрлендіру тиімділігі 13%-ға жетті.
• 1978АҚШ жер бетінде 100 кВт қуатты күн фотоэлектрлік станциясын салды.
• 1990 ж.: Германия «2000 шатырдағы күн бағдарламасын» іске қосты.
• 1995 жыл: Жоғары тиімді концентрацияланған галлий арсенидті күн батареялары 32% тиімділікке жетті.
• 1997 жыл: АҚШ 1 миллион үйге күн батареяларын орнатуды мақсат ететін «Миллион күн шатыры бағдарламасын» ұсынды.

2. Күн батареяларымен таныстыру

Күн батареялары, сондай-ақ күн чиптері немесе фотоэлектрлік элементтер деп те аталады, фотоэлектрлік эффект арқылы күн сәулесін тікелей электр энергиясына түрлендіретін жартылай өткізгіш жұқа пленкалар. Бір күн батареясын қуат көзі ретінде пайдалануға болмайды; Күн панелін құру үшін бірнеше ұяшықтарды тізбектей немесе параллель қосу және бір-бірімен тығыздау қажет. Күн панельдері күн энергиясын өндіру жүйелерінің негізгі құрамдас бөлігі және ең маңызды бөлігі болып табылады.

Күн энергиясының түрлері

• Күн жылуын пайдалану: Күн радиациясы жылу энергиясына айналады, оны жылу энергиясын өндіруге пайдалануға болады.
• Күн фотоэлектрлік электр энергиясын өндіру: Күн радиациясы негізінен фотоэлектрлік эффект принципіне негізделген фотоэлектрлік түрлендіру құрылғылары арқылы электр энергиясына айналады.

3. Күн батареяларының жұмыс принципі

Күн батареялары фотоэлектрлік эффект принципі бойынша жұмыс істейді. Жартылай өткізгіш материалға күн сәулесі түскенде, энергиясы жолақ аралығынан жоғары фотондар электрондарды қоздырады және электрон-тесік жұптарын жасайды. Бұл тепе-теңдік емес тасымалдаушылар PN түйісуінде орнатылған электр өрісімен бөлінеді, электрондар N типті аймаққа қарай жылжиды, ал тесіктер P типті аймаққа қарай жылжиды. Бұл PN өткелінде электрлік потенциал жасайды. Металл сымдар P-типті және N-типті қабаттарға бекітілген және сыртқы жүктемеге қосылған кезде ток сыртқы тізбек арқылы өтеді, электр қуатын тудырады.

4. Күн батареяларының сипаттамасы

Күн батареяларының негізгі сипаттамаларына мыналар жатады:

• Номиналды шығыс кернеуі: Стандартты жарық жағдайында (сәулеленуі 1000 Вт/м², температура 25°C), шығыс кернеуі шамамен 0,48 В құрайды.
• Теріс температура коэффициенті: Температураның әрбір 1°C көтерілуі үшін кернеу шамамен 2 мВ төмендейді.
• Қуат шығысы: Күн батареяларының шығыс қуаты күн сәулесінің қарқындылығына, климаттық жағдайларға, уақытқа және орынға байланысты өзгереді. Күндізгі күндерде түске жақын қуат шығысы номиналды мәнге жақын болады.

5. Күн батареяларын таңдау

Күн батареяларын таңдаған кезде шығыс қуаты негізгі фактор болып табылады. Стандартты сынақ шарттары:

• Сәулелену: 1000 Вт/м²
• Ауа массасы: AM1.5
• Жасуша температурасы: 25°C

Бұл жағдайлар ашық күні түскі уақыттағы күн сәулесін шамамен имитациялайды. Шын мәнінде, күн батареяларының шығыс қуаты жарық жағдайлары мен қоршаған орта факторларының өзгеруіне байланысты өзгеріп отырады.

6. Фотоэлектрлік эффект

Фотоэлектрлік эффект деп жарық жартылай өткізгіштің әртүрлі бөліктері немесе жартылай өткізгіш-металл комбинациясы арасындағы потенциалдар айырмасын тудыратын құбылысты айтады. Күн батареяларында бұл әсер күн энергиясын электр энергиясына айналдыру үшін қолданылады. Күн батареяларының негізгі принципі PN түйісуіне негізделген, ол электрондар мен тесіктерді бөлетін, кернеуді және осылайша токты тудыратын электр өрісін жасайды.

7. Күн энергиясын өндіру жүйелері

Күн энергиясы жүйелерін бөлуге боладыжеліден тысжәнеторға қосылғанжүйелер. Бұл жүйелердің құрамдас бөліктері аздап ерекшеленеді:

Тордан тыс күн энергиясын өндіру жүйелері

Бұл жүйелер желіге қолжетімділігі жоқ аймақтарда қолданылады және әдетте келесі құрамдастарды қамтиды:

• Күн батареяларының массиві: Белгілі бір үлгіде реттелген және қосылған бірнеше күн панелінің модульдері.
• Қуатты сақтау батареясы: Күн жарқырамаған кезде пайдалану үшін электр қуатын сақтау үшін қолданылады.
• Контроллер: Қуатты сақтау батареясының зарядтау процесін басқарады және қауіпсіз және тұрақты жұмысты қамтамасыз ету үшін әртүрлі қорғаныс функцияларын қамтиды.
• Инвертор: Сақталған тұрақты токты айнымалы токқа түрлендіреді.
• Тарату қорабы және жалғау сымдары: Жүйе құрамдас бөліктері мен қуат шығысын қосу және басқару үшін пайдаланылады.

Торға қосылған күн энергиясын өндіру жүйелері

Бұл жүйелер желіге кіру мүмкіндігі бар аймақтарда қолданылады және олар артық электр энергиясын желіге қайтара алады. Негізгі компоненттерге мыналар жатады:

• Күн батареяларының массиві: Бір-біріне қосылған бірнеше күн панелінің модульдері.
• Қуатты сақтау батареясы: Электр энергиясын сақтау үшін қолданылады.
• Торға байланысты инверторТұрақты токты сақтау құрылғысынан электр желісіне жарамды айнымалы токқа түрлендіреді.
• Тарату қорабы және жалғау сымдары: Жүйе құрамдас бөліктері мен қуат шығысын қосу және басқару үшін пайдаланылады.