Обзор технологий солнечных панелей и фотоэлектрической генерации электроэнергии (QUENENG)

1. История развития и современное состояние фотоэлектрической энергетики

С момента изобретения первого практического фотоэлектрического элемента (PV) в 1954 году технология производства солнечной фотоэлектрической энергии достигла значительного прогресса. Однако развитие солнечной энергии было медленнее по сравнению с быстрыми достижениями в таких областях, как компьютеры или волоконная оптика. Это отчасти объясняется тем, что спрос на информацию особенно высок, а обычных источников энергии было достаточно для удовлетворения потребностей человека. Нефтяной кризис 1973 года и проблемы загрязнения окружающей среды в 1990-х годах значительно ускорили развитие солнечной фотоэлектрической энергии. Ниже приведены основные вехи в истории солнечной фотоэлектрической технологии:

• 1893: Французский ученый Беккерель открыл «фотогальванический эффект».
• 1876: Адамс и другие открыли твердотельные фотоэлектрические эффекты на металлах и селене.
• 1883: Был создан первый «селеновый фотоэлектрический элемент», использовавшийся в качестве сенсорного устройства.
• 1930: Шоттки предложил теорию «фотогальванического эффекта» в барьерах Cu2O.
• 1954: Bell Labs разработала первый практически применимый монокристаллический кремниевый солнечный элемент с эффективностью 6%.
• 1962: Эффективность фотоэлектрического преобразования солнечных элементов на основе арсенида галлия достигла 13%.
• 1978: США построили на Земле солнечную фотоэлектрическую электростанцию ​​мощностью 100 кВт.
• 1990: Германия запустила «Программу 2000 по установке солнечных батарей на крышах».
• 1995: Высокоэффективные солнечные элементы на основе концентрированного арсенида галлия достигли эффективности 32%.
• 1997: США предложили программу «Миллион солнечных крыш», направленную на установку солнечных батарей в 1 миллионе домов.

2. Введение в солнечные элементы

Солнечные элементы, также известные как солнечные чипы или фотоэлектрические элементы, представляют собой тонкие полупроводниковые плёнки, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество, используя фотоэлектрический эффект. Один солнечный элемент не может быть использован в качестве источника энергии; для создания солнечной панели необходимо соединить несколько элементов последовательно или параллельно и герметизировать их. Солнечные панели являются основным компонентом солнечных электростанций и их наиболее важной частью.

Виды солнечной энергии

• Использование солнечной тепловой энергии: Солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию, которую можно использовать для выработки тепловой энергии.
• Солнечная фотоэлектрическая генерация электроэнергии: Солнечное излучение преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрических преобразовательных устройств, в основе работы которых лежит принцип фотоэлектрического эффекта.

3. Принцип работы солнечных элементов

Солнечные элементы работают по принципу фотогальванического эффекта. Когда солнечный свет падает на полупроводниковый материал, фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, возбуждают электроны и создают пары электрон-дырка. Эти неравновесные носители разделяются встроенным электрическим полем в PN-переходе, при этом электроны движутся к области N-типа, а дырки — к области P-типа. Это создает электрический потенциал на PN-переходе. Когда металлические выводы присоединены к слоям P-типа и N-типа и подключены к внешней нагрузке, ток протекает через внешнюю цепь, генерируя электрическую энергию.

4. Характеристики солнечных элементов

К основным характеристикам солнечных элементов относятся:

• Номинальное выходное напряжение: При стандартных условиях освещения (интенсивность освещения 1000 Вт/м², температура 25°C) выходное напряжение составляет около 0,48 В.
• Отрицательный температурный коэффициент: При каждом повышении температуры на 1°C напряжение падает примерно на 2 мВ.
• Выходная мощность: Выходная мощность солнечных элементов зависит от интенсивности солнечного света, климатических условий, времени и местоположения. В солнечные дни около полудня выходная мощность близка к номинальному значению.

5. Выбор солнечных элементов

При выборе солнечных элементов выходная мощность является ключевым фактором. Стандартные условия испытаний:

• Излучение: 1000 Вт/м²
• Воздушная масса: АМ1.5
• Температура ячейки: 25°С

Эти условия примерно имитируют солнечный свет в полдень ясного дня. В реальности выходная мощность солнечных элементов будет колебаться из-за изменений в условиях освещенности и факторов окружающей среды.

6. Фотогальванический эффект

Фотогальванический эффект относится к явлению, когда свет вызывает разность потенциалов между различными частями полупроводника или комбинации полупроводник-металл. В солнечных элементах этот эффект используется для преобразования солнечной энергии в электричество. Основной принцип солнечных элементов основан на PN-переходе, который создает электрическое поле, разделяющее электроны и дырки, генерируя напряжение и, следовательно, ток.

7. Системы генерации солнечной энергии

Солнечные энергетические системы можно разделить навнесетевойиподключенный к сетисистемы. Компоненты этих систем немного различаются:

Системы автономной солнечной генерации электроэнергии

Эти системы используются в районах, где нет доступа к электросети, и обычно включают в себя следующие компоненты:

• Солнечная батарея: Несколько модулей солнечных панелей, расположенных и соединенных по определенной схеме.
• Аккумуляторная батарея для хранения энергии: Используется для хранения электроэнергии для использования в периоды отсутствия солнца.
• Контроллер: Управляет процессом зарядки аккумуляторной батареи и включает в себя различные защитные функции для обеспечения безопасной и стабильной работы.
• Инвертор: Преобразует накопленную электроэнергию постоянного тока в электроэнергию переменного тока.
• Распределительная коробка и соединительные провода: Используется для подключения и управления компонентами системы и выходной мощностью.

Сетевые системы генерации солнечной энергии

Эти системы используются в районах с доступом к сети, и они могут возвращать излишки электроэнергии обратно в сеть. Ключевые компоненты включают:

• Солнечная батарея: Несколько модулей солнечных панелей, соединенных вместе.
• Аккумуляторная батарея для хранения энергии: Используется для хранения электроэнергии.
• Сетевой инвертор: Преобразует постоянный ток из хранилища в переменный ток, пригодный для сети.
• Распределительная коробка и соединительные провода: Используется для подключения и управления компонентами системы и выходной мощностью.