Известно, что в заатмосферных
условиях, а на уровне Земли
(моря) при расположении Солнца
в зените и поглощении энергии
света водяными парами с относительной
влажностью 50% либо при отклонении от зенита
на в отсутствии паров воды.
ФЭП монтируются на
панелях, конструкция которых
содержит механизмы разворота
и ориентации. Для повышения КПД
примерно до 0,3 применяются каскадные
двух- и трехслойные исполнения
ФЭП с прозрачными ФЭ верхних
слоев. КПД ФЭП существенно
зависит от оптических свойств
материалов ФЭ и их терморегулирующих
защитных покрытий. Коэффициенты
отражения уменьшают технологическим
способом просветления освещаемой
поверхности (для рабочей части
спектра) . Обусловливающие заданной
коэффициент поглощения покрытия
способствует установлению необходимого
теплового режима в соответствии
с законом Стефана-Больцмана,
что имеет важное значение: например,
при увеличении Т от 300 до 380 К
КПД ФЭП снижается на 1/3.
- ПРОМЫШЛЕННЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Уже несколько лет небольшие
фотоэлектрические системы применяются
в коммунальном электро-, газо- и
водоснабжении, доказав свою экономичность.
В большинстве своем они имеют
мощность до 1 кВт и включают в
себя аккумуляторы для накопления энергии.
Они выполняют множество функций:
от питания сигнальных огней на опорах
ЛЭП для оповещения самолетов
до контроля качества воздуха. Они продемонстрировали
надежность и долговечность в
коммунальном хозяйстве и готовят
почву для будущего внедрения
более мощных систем.
Энергоснабжающие предприятия
изучают возможности фотоэлементов
с точки зрения увеличения генерирующей
мощности и удовлетворения все возрастающих
требований к экологической и
производственной безопасности. Крупные
солнечные электростанции, состоящие
из множества фотоэлектрических
батарей, могут оказаться весьма
полезными для энергокомпаний. Их
создание занимает меньше времени, чем
строительство традиционных электростанций,
так как солнечные панели легко
устанавливать и соединять. Компания
может строить фотоэлектрические
станции там, где в них есть
потребность, так как размещение
фотобатарей гораздо проще, чем
выбор участка для традиционной
электростанции. И, в отличие от традиционных
электростанций, их можно расширять
по мере необходимости. Наконец, фотоэлектрические
станции работают бесшумно, не потребляют
ископаемого топлива и не загрязняют
воздух и воду. К сожалению, фотоэлектрические
станции пока еще не очень динамично
входят в арсенал коммунальных сетей,
что можно объяснить их особенностями.
При современном методе подсчета
стоимости энергии, солнечное электричество
все еще значительно дороже, чем
продукция традиционных электростанций.
К тому же фотоэлектрические системы
вырабатывают энергию только в светлое
время суток, и их производительность
зависит от погоды.
Поэтому при планировании
энергосистемы нужно учитывать
эти особенности фотоэлектрической
станции, чтобы правильно вписать
ее в существующую систему производства,
передачи и распределения энергии.
Фотоэлектрические станции, тем
не менее, занимают все больше места
в планах энергопроизводителей. Например,
в США коммунальные предприятия
изучают возможность подключения
фотоэлектрических систем к энергосетям
в тех местах, где они имеют
большую ценность. Так, добавление фотоэлектрической
системы в непосредственной близости
от потребителя помогает избежать потерь
энергии, связанных с передачей
на большие расстояния. Следовательно,
фотоэлектрическая система имеет
большую ценность для компании, если
она расположена возле потребителя.
Их можно также устанавливать
на тех участках распределительной
системы, которые обслуживают районы
с быстро растущим населением. В
этом случае фотоэлектрические установки
устраняют необходимость увеличивать
протяженность линий электропередач.
Установка фотоэлектрических систем
возле подстанций, распределяющих энергию,
может предотвратить перегрузку
расположенного на них оборудования.
Фотоэлементы не похожи ни
на один источник энергии, который когда-либо
использовался коммунальными предприятиями.
Они требуют крупных начальных
вложений, зато стоимость топлива
равна нулю. Постройка угольных и
газовых электростанций вначале
обходится дешевле (относительно их
производительности), но потом они
требуют постоянных расходов на закупку
топлива. Цена на топливо колеблется,
и неизвестно, как она будет
изменяться в будущем в связи
с развитием природоохранного законодательства.
Цены на ископаемые виды топлива будут
расти, тогда как общая стоимость
фотоэлементов (да и других возобновляемых
источников энергии), как ожидается,
будет продолжать падать, особенно
если принимать во внимание их преимущества
для окружающей среды.
- СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ
Существуют только два
долговременных источника энергии
- это ядерная и солнечная. В
последние 10 лет в мире накоплен
огромный положительный опыт по организации
автономного энергосбережения индивидуальных
и коллективных потребителей электроэнергии.
Это возможно путем преобразования
солнечной энергии в электрическую
с помощью солнечных фотоэлектрических
панелей.
Солнечная батарея (фотоэлектрический
генератор, преобразующий энергию
солнечного излучения в электрическую
энергию) впервые была применена 1958
г. на «Спутнике-3».
С тех пор на всех космических
аппаратах, кроме транспортных космических
кораблей с малым ресурсом самостоятельного
полета, первичными источниками электроэнергии
являются солнечные батареи.
Применение солнечных
батарей в космосе стимулировало
развитие фотоэлектрической энергетики,
а в последние десятилетия
все более широко фотоэнергетика
стала использоваться в наземных
условиях.
Использование солнечных
батарей малой мощности в качестве
источника электропитания малоэнергоемких
приборов: калькуляторов, часов и
т. д. - наиболее распространенное направление
фотоэнергетики. Другое направление -
использование солнечных батарей
значительной мощности (сотни и тысячи
Вт) для электроснабжения автономных
объектов, расположенных вдали от
линий электропередач, где другие
способы электроснабжения невозможны
или экономически нецелесообразны.
Таким образом, можно решить проблему
электроснабжения не только жилых объектов
(освещение, электропитание холодильника,
радио, телевизора и других электроприборов),
но и некоторых малоэнергоемких
объектов промышленного и народнохозяйственного
назначения (радиоретрансляторы и другие
объекты связи, навигационные знаки,
резервные источники бесперебойного
электропитания, сигнализация, водоподъемные
установки и т.п.).
Как правило, в таких системах
солнечные батареи используются
совместно с буферными аккумуляторами,
что обеспечивает стабильное энергоснабжение
потребителей в любое время суток
и вне зависимости от суточного
и погодного изменения интенсивности
солнечного излучения. Фотоэлектрическая
система, помимо солнечных батарей,
аккумуляторов и энергопотребителей,
обычно содержит прибор электронного
контроля, исключающий перезаряд
аккумулятора и его глубокий заряд.
В фотоэлектрических системах обычно
применяются экономичные потребители.
Например, люминесцентные лампы вместо
ламп накаливания.
В случаях, когда необходимо
получить переменный ток, используют инверторы.
Например, инвертор может преобразовать
постоянный ток с напряжением
в 12 В в переменный ток с напряжением
220 В, 50 Гц.
Существует еще одно схемное
решение, когда энергия солнечных
батарей преобразуется в переменный
ток с напряжением 220 В и отдается
в электросеть. В отличие от электроснабжения
автономных потребителей такие проекты
позволяют частично восполнить дневной
дефицит электроэнергии в промышленных
регионах.
В ряде случаев применяется
комбинированное использование
различных методов получения
энергии: сочетание фотоэнергетики
и ветроэнергетики, сочетание фотоэлектрических
систем с гелиоустановками (например,
с солнечными коллекторами), а также
включение в систему резервных
маломощных дизель-генераторов. Выбор
конфигурации системы и ее характеристик
производится с учетом временного графика
предполагаемой нагрузки потребителей
(суточным, месячным, годовым) и погодно-климатическими
условиями региона. На основании этих
данных проводится расчет емкости аккумуляторных
батарей и определяются требования к комплектующему
аккумуляторному оборудованию.
Создание мобильных солнечных
переносных батарей с установленной
мощностью от нескольких Вт до нескольких
сотен Вт и стационарных с установленной
мощностью до нескольких кВт, по сути,
определило создание мобильных солнечных
станций. Все переносные приборы, устройства
и установки, питание которых
осуществляются от аккумуляторов различного
типа и различной емкости, приобретают
новые потребительские качества
- вместо использования стационарных
зарядных устройств или комплектов
сменных аккумуляторов появляется
возможность использования мобильных
зарядных устройств в так называемых
полевых условиях.
Сегодня затруднительно даже
обозначить все сферы использования
мобильных фотоэлектрических систем
- они могут использоваться как
зарядное устройство для портативных
переносных компьютеров, переносной радио-
и телевизионной аппаратуры, приборов
геологической, химической и радиационной
разведки, переносных системах освещения
и даже подзарядки аккумуляторов
транспортных средств.
Мобильные солнечные батареи
использовались альпинистами для зарядки
аккумуляторов средств связи
при восхождении на Эверест. Несколько
лет назад Д. Шпаро использовал
раскладные портативные солнечные
батареи для зарядки аккумуляторов
средств связи и видеокамеры
во время своего лыжного похода на
Северный полюс.
Экипаж океанской яхты
«Апостол Андрей» во время кругосветного
путешествия использовал раскладные
солнечные батареи в качестве
резервного источника питания. Во время
этого путешествия экипажу пришлось
воспользоваться этим резервным
источником после сильного шторма.
Основное оборудование оказалось залитым
водой, и экипаж смог выйти на связь
только с помощью аварийной радиостанции,
запитанной от солнечной батареи.
Мобильные фотоэлектрические
системы испытывались военными на равнинных
и горных территориях России и
Казахстана для зарядки аккумуляторов
штатных радиостанций различного типа.
По их заключению, использование мобильных
солнечных зарядных устройств повышает
тактико-технические данные мобильных
средств связи, находящихся на вооружении.
А. Термины и определения
Ниже применяются определения,
рекомендованные в ГОСТ_Р_51594_2000.
Солнечная энергетика.
Фотоэлектрический солнечный
элемент (ФСЭ) — солнечный элемент на
основе фотоэффекта.
Фотоэлектрический модуль
(ФМ) — устройство, конструктивно
объединяющее электрически соединенные
между собой фотоэлектрические
солнечные элементы и имеющие
выходные клеммы для подключения
внешнего потребителя.
Солнечная фотоэлектрическая
батарея — соединенные между
собой электрически и механически
фотоэлектрические модули.
Вольтамперная характеристика
(ВАХ) солнечного элемента, модуля,
батареи — зависимость между
током нагрузки и напряжением
на клеммах солнечного фотоэлектрического
элемента, модуля, солнечной батареи
при постоянных значениях температуры
солнечных элементов и интенсивности
поступающего солнечного излучения.
Температурный коэффициент
тока, напряжения — значение, характеризующее
изменение тока, напряжения солнечного
элемента при изменении его температуры
на 1°С.
Стандартные условия
испытаний солнечного элемента,
модуля, батареи (Standard test conditions for solar
cell, module, array) — условия испытаний,
регламентированные по плотности
потока солнечной энергии 1000 Вт/м2
и температуре фотоэлектрических
солнечных элементов (25+2)°С.
Пиковая мощность солнечного
элемента, модуля, батареи, станции
— максимальная мощность фотоэлектрического
солнечного элемента, модуля, батареи,
станции при стандартных условиях
испытаний.
Максимальная мощность
фотоэлектрического солнечного
элемента, модуля, батареи, станции
— мощность фотоэлектрического
солнечного элемента, модуля, батареи,
станции в точке на вольт-амперной
характеристике, где значение произведения
тока на напряжение максимально.
Б. Фотоэлектрические
солнечные элементы (ФСЭ)
Преобразование энергии
в ФСЭ основано на фотовольтаическом
эффекте в неоднородных полупроводниковых
структурах при воздействии на них
солнечного излучения. Характеристики
ФСЭ зависят от количества падающего
на его поверхность света. При
этом ФСЭ не боятся короткого замыкания.
Кремниевые ФСЭ являются
нелинейными устройствами и их
поведение нельзя описать простой
формулой типа закона Ома. Вместо
нее для объяснения характеристик
элемента можно пользоваться
семейством простых для понимания
кривых - вольтамперных характеристик
(рис.2).
Рисунок 2. Вольт-амперная характеристика
ФЭС
Напряжение холостого
хода, генерируемое одним элементом,
слегка изменяется при переходе от
одного элемента к другому в одной
партии и от одной фирмы изготовителя
к другой и составляет около 0.6 В.
Эта величина не зависит от размеров
элемента. По иному обстоит дело
с током. Он зависит от интенсивности
света и размера элемента, под
которым подразумевается площадь
его поверхности. Нагружая элемент,
можно построить график зависимости
выходной мощности от напряжения (рис.3).