Електроенергия от слънцето

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2006

Електроенергия от слънцетоЕлектроенергия от слънцето
 

Технологии, принципи, приложения

Че фотоелектрическите слънчеви системи преобразуват слънчевата енергия в електрическа, знае всеки инженер, независимо от специализацията си. Малко са, обаче, специалистите, на които е известна интересната етимология на термина photovoltaic. За първи път думата се среща в края на осемнадесети век. Състои се от две части - "фото", произхождаща от гръцката дума за светлина, и "волт", в чест на откривателя на електричеството Алесандро Волта. Следователно, терминът photovoltaic, или на български - фотоелектрически, буквално преведен означава светлинно-електрически. Според историческите сведения фотоелектрическият ефект е открит от френския физик Едмон Бекерел още през далечната 1839. Фотоелектрическите системи отдавна са част от ежедневието ни. Със слънчева енергия се захранват множество малки консуматори, като калкулатори и часовници. По-сложни системи осигуряват необходимата електрическа енергия за функционирането на комуникационни спътници, водни помпи, осветителни уредби, електроуреди и машини в бита, бизнеса и индустрията.

Наричани слънчеви клетки, фотоелектрическите устройства се предлагат в разнообразие от типоразмери - с габарити, по-малки от пощенска марка, до системи, покриващи десетки квадратни метри. Свързани заедно, слънчевите клетки образуват слънчеви модули. Модулите, на свой ред, могат да се комбинират и свързват, образувайки фотоелектрически системи с различни размери и изходна мощност. Размерът на една фотоелектрическа слънчева система зависи от комплекс фактори, сред които количеството слънчева светлина, специфична за определеното приложение, и енергийните потребности на консуматора. Освен фотоелектрически модули, слънчевите системи обхващат проводници, електрическо оборудване, преобразуващо параметрите на генерираната електроенергия до мрежовите й стойности, акумулиращи батерии и др.

Основата полага кристалният силиций

Фотоелектрическите слънчеви клетки, които директно преобразуват слънчевата светлина в електричество, се изработват основно от полупроводникови материали. Сред най-широко използваните материали за генериране на електрическа енергия от слънцето е кристалният силиций (c-Si). За момента това е водещият материал, от които се произвеждат фотоелектрически клетки. Използва се в няколко форми: монокристален силиций, поликристален силиций, лентов или листов силиций и тънкослоен силиций.

Наложилите се технологии в производството на кристален силиций включват метода на Чохралски (CZ метод), Float-zone метода (FZ метод) и други технологии, сред които отливане, екструдиране или изтегляне. Отстраняването на примеси и дефекти в силиция е от особена важност и се извършва с техники като повърхностно пасивиране (обработка на повърхността с водород) и газопоглъщане (химична топлинна обработка, която предизвиква дифузия на примесите от силиция). През последните години все по-голям пазарен дял заемат фотоелектрическите клетки, произведени на базата на

тънкослойни покрития

Тези клетки са изградени от слоеве полупроводникови материали с дебелина от няколко микрометра, отложени върху нескъпа основа, като стъкло, гъвкава пластмаса или неръждаема стомана. Полупроводниковите материали, отлагани във вид на тънките филми, включват аморфен силиций (a-Si), медно-индиев диселенид (CIS) и кадмиев телурид (CdTe). Аморфният силиций няма кристална структура и качествата му се влошават постепенно при излагане на светлина поради ефекта на Щеблер-Вронски. Описаният ефект би могъл да се намали чрез водородна пасивация. Тъй като количествата на полупроводниковия материал, необходими за отлагането на тънкослойни покрития, са много по-ограничени в сравнение с традиционните фотоелектрически клетки, разходите за производството им са значително по-малки от характерните за слънчевите клетки от кристален силиций. Други технологии за производството на фотоелектрически клетки са разработени на основата на

елементи от III и V групи

в периодичната система. Характерен за тях е високият КПД при нормална и концентрирана слънчева светлина. Монокристалните клетки от този тип обикновено се изработват от галиев арсенид (GaAs). Специфично за галиевият арсенид е, че при легирането му с елементи като индий, фосфор и алуминий се създават полупроводници, които се характеризират с максимална ефективност на преобразуване при слънчева светлина с различни характеристики. Стремежът към повишаване ефективността на фотоелектрическите клетки води до разработването на високоефективни клетки с множество p-n преходи. Те представляват

пакети от отделни слънчеви клетки,

поставени една върху друга с цел постигане на максимално улавяне и преобразуване на слънчевата енергия. Най-горният слой преобразува слънчевата светлина, съдържаща най-голямо количество енергия. Слоят пропуска свободно останалата слънчевата енергия към останалите по-долни слоеве, които я абсорбират и преобразуват. За производството на такива високоефективни клетки широко се използва галиевият арсенид и неговите сплави, а така също аморфният силиций, медно-индиевият диселенид и галиево-индиевият фосфид. Въпреки че са разработени слънчеви клетки с два p-n прехода, повечето изследвания днес се фокусират върху клетки с три и четири p-n прехода, използващи материали като германий (Ge). Целта е да се оползотвори светлинната енергия, съдържаща най-малко количество енергия в най-долния слой. В процес на разработка са разнообразни технологии за производство на т.нар.

усъвършенствани слънчеви клетки

При някои от тях вместо от полупроводникови материали, слънчевите клетки се изработват от импрегниран със светлочувствителна боя слой от титаниев диоксид. Понеже титаниевият диоксид е относително евтин, тези слънчеви клетки разполагат с потенциал за значително намаляване на цената им. Други нови технологии са базират на използването на полимерни материали за изработването на слънчевите клетки. Редица специалисти считат, че значителен потенциал имат технологиите за производство на фотоелектрохимични клетки, които произвеждат водород директно от водата в присъствието на слънчева светлина.

Производство на готови блокове

Широкото използване на фотоелектрическите клетки за производство на електрическа енергия е свързано с необходимостта от производство на готови блокове от слънчеви клетки. Техническите предизвикателства основно са в посока отстраняване на примесите, съдържащи се в полупроводниковия материал. Примесите са важен проблем, тъй като променят ефективността на работа на клетката. Важни етапи от производствените процеси са повърхностно пасивиране на материала и нанасяне на антиотражателни покрития. Полагането на слънчевите фотоелектрически модули в защитен корпус е друга важна стъпка в процеса на производството им. Освен слънчевите модули, елементи от една слънчева система са монтажни конструкции, насочващи системи, батерии, силова електроника (включително инвертор, контролер и оборудване за свързване към електрическата мрежа), както и други устройства.

Енергията в слънчевата светлина

Как слънчевата клетка преобразува слънчевата енергия в електрическа? За да се отговори на този въпрос, е необходимо да се направи прецизен анализ на характеристиките на слънчевата светлина. На всички е известно, че слънчевата енергия е жизненоважна за живота на Земята. Тя определя температурата на повърхността на Земята и осигурява цялата енергия, захранваща естествения природен цикъл. Някои други звезди са огромни източници на енергия под формата на рентгенови лъчи и радиосигнали, но Слънцето излъчва преимуществен дял от енергията си като видима светлина. Обаче, видимата светлина представлява само част от целия електромагнитен спектър. Почти цялата енергия на Слънцето е в диапазона с дължини на вълните от около
2x10
-7 до 4x10-6 метра.

Всяка дължина на електромагнитната вълна съответства на определена честота и енергия. Колкото по-малка е дължината на вълната, толкова по-висока е честотата и е по-голяма енергията, съдържаща се в нея. Например, червената светлина е в нискоенергийния край на видимия спектър, а виолетовата светлина е във високоенергийния край. В невидимата част от електромагнитния спектър важи същата зависимост - ултравиолетовата светлина е високоенергийна, а инфрачервената - нискоенергийна. Следователно, излъчването в инфрачервената област, което усещаме като топлина, съдържа по-малко енергия от излъчването във видимата област.

Коя енергия оползотворя-ват клетките?

Слънчевите клетки реагират различно на различните дължини на вълните (или цветове) на светлината. Например, кристалният силиций оползотворява енергийно целия видим спектър плюс част от инфрачервения спектър. Но количеството на енергията в инфрачервения спектър е твърде малко, за да се генерира електрически ток. Описаната зависимост важи с толкова по-висока сила, колкото по-голяма е дължината на електромагнитната вълна. Високоенергийното излъчване може да произведе електрически ток, но голяма част от тази енергия също е неизползваема. В обобщение, светлината, съдържаща твърде много или твърде малко енергия е неизползваема от слънчевите клетки за генериране на електричество. Основната причина на това е, че тя се преобразува в топлина.

Каква е мощността на слънчевото лъчение?

Слънцето непрекъснато излъчва огромно количество енергия в Слънчевата система. Земята получава мъничка част от тази енергия. И все пак, средно 1360 W достигат всеки квадратен метър от външната обвивка на земната атмосфера. Тя абсорбира и отразява част от това излъчване, включително повечето рентгенови и ултравиолетови лъчи. Все пак, количеството слънчева енергия, което достига земната повърхност всеки час, е по-голямо от общото количество енергия, което хората използват за една година.

Колко енергия губи светлината, докато пътува от горния край на атмосферата до земната повърхност? Тези енергийни загуби зависят от дебелината на атмосферата, през която слънчевата енергия трябва да премине. Лъчистата енергия, която достига морското равнище по пладне при ясно небе е равна на 1000 W/m2 и се описва като слънчева радиация при "маса на въздуха 1". Докато Слънцето се премества все по-ниско в небето, светлината преминава през все по-голяма дебелина на въздушния слой, изминавайки по-дълъг път, губейки повече енергия. Понеже Слънцето е в зенита само за кратък период от време, масата на въздуха обикновено е по-голяма от едно-тоест, наличната енергия е по-малко от 1000 W/m2.

Специфики на пряката и дифузната светлина

Както отбелязахме, земната атмосфера и облаците абсорбират, отразяват и разсейват част от слънчевата радиация , навлизаща в тях. Въпреки това, частта от слънчевата енергия, която достига до земната повърхност може да се използва за производството на слънчево електричество. Необходимо е да се има предвид, че част от слънчевото излъчване е пряко, а друга - дифузно. Разграничението между двата вида слънчева радиация е важно. Някои фотоелектрически системи могат да използват и двете форми на светлина, но системите за концентриране на слънчевата светлина върху клетките могат да работят единствено с пряка светлина.

Пряката светлина съдържа излъчването, идващо направо от Слънцето, без отразяването му от облаците, запрашаването, земната повърхност или други обекти. Също така, специалистите говорят за директно-нормално или перпендикулярно излъчване, отнасящо се за частта от слънчевата светлина, която идва директно от Слънцето и попада в равнината на фотоелектрическия модул под 90-градусов ъгъл.

Дифузната светлина представлява слънчевата енергия, която е отразена от облаците, земната повърхност или други обекти. Тя очевидно изминава по-дълъг път, за да достигне модула, в сравнение с директните слънчеви лъчи. Дифузната светлина не може да се фокусира чрез оптиката на концентраторната система.

Общото излъчване се дефинира като цялото количество слънчева радиация, която попада върху дадена хоризонтална повърхност. Общата слънчева светлина е съставена от два компонента - директна-перпендикулярна и дифузна светлина. Освен това, дифузната и директната-перпендикулярна слънчева светлина по принцип се характеризират с различни енергийни спектри.

Видове слънчеви системи

Фотоелектрически слънчеви системи могат да се видят в най-изолираните места на Земята и в сърцето на някои от най-големите градове. Както и във всички останали приложения, попадащи между двете категории. Съществуват различни видове слънчеви фотоелектрически системи, изпълняващи специфични приложни задачи, сред основните от които са:

  • Самостоятелни слънчеви фотоелектрически системи;
  • Акумулаторни слънчеви фотоелектрически системи;
  • Фотоелектрически слънчеви системи с резервирано генераторно захранване;
  • Хибридни слънчеви фотоелектрически системи;
  • Фотоелектрически слънчеви системи, присъединени към електрическата мрежа;
  • Фотоелектрически слънчеви централи и др.

Описаната категоризация на фотоелектрическите слънчеви системи е повече или по-малко условна.

Самостоятелни фотоелектрически системи

Генерират електрическа енергия, независимо от електрическата мрежа. В редица приложения, отдалечени от централната електрическа мрежа самостоятелните фотоелектрически слънчеви системи са ценово по-ефективно решение в сравнение с алтернативното й разширяване. Приема се, че са особено подходящи за отдалечени от централната електроснабдителна мрежа места, с високи екологични изисквания, като национални паркове, например. В селските райони на някои части от Европа малки самостоятелни слънчеви фотоелектрически системи често захранват осветителните уредби на къщите, електрическите системи на охранителни съоръжения, както и слънчевите водни помпи. Характерно за тези системи е, че функционират единствено през светлата част от денонощието. Повечето от тях са оборудвани с акумулаторни батерии, така че произведената през деня енергия би могла да се използва и през нощта.

Присъединени към електрическата мрежа системи

За да бъде работата им ефективна, голяма част от слънчевите фотоелектрически системи не работят самостоятелно, а са свързани към централната електрозахранваща мрежа. В часовете, през които текущата консумация е по-малка от производствения капацитет на системата, част от генерираната електроенергия се подава към електроснабдителната мрежа. И - обратно, черпи енергия от централната мрежа, когато текущата производствена мощност на фотоелектрическата система е недостатъчна. При този вид фотоелектрически системи отпада необходимостта от батерийно захранване, въпреки че свързването им към електрическата мрежа би могло да се окаже доста трудно. Според действащото в редица европейски държави законодателство, електрическите компании са задължени да изкупуват електроенергията, генерирана от слънцето и то на преференциални цени.

Хибридни фотоелектри-чески слънчеви системи

При тях енергийните потребности на един или група от консуматори се удовлетворяват чрез комбиниране на множество електрогенериращи технологии и решения за акумулиране на излишната в даден момент слънчева енергия. В допълнение към фотоелектрическите слънчеви системи се включват дизел генератори, вятърни генератори, малки водно-електрически централи и други генератори на електрическа енергия, с отчитане на географското местоположение и характерните за него налични енергоресурси. Хибридните системи се разглеждат като оптимално техническо решение за захранване на отдалечени приложения, като комуникационни станции, военни съоръжения, вилни селища. По света, широко се използват за захранване на сеизмични измервателни станции, намиращи се, например, сред океана.

Ефективността на хибридните решения зависи от това доколко прецизен е предварителният анализ на специфичните за конкретната приложна задача характеристики, сред които енергийна консумация, налични енергийни ресурси, ценова равностойност на използването им. Това ще позволи проектирането на хибридна система, съответстваща на енергийните потребностите на захранваните инженерни съоръжения и битови консуматори.

Слънчеви фотоелектри-чески централи

Всяко рязко повишаване на цените на петрола на международните пазари обръща погледа на инвеститори, политици и стратези към възобновяемите енергийни източници. Ще настъпи ли момент, когато слънчевите фотоелектрически централи ще се причислят към широко използваните, наричани още традиционни електрогенериращи мощности. И кога ще стане това? Може ли днес еднозначно да се твърди, че слънчевите фотоелектрически електроцентрали, изградени от много работещи заедно панели са достатъчно ефективни - технически и ценово в сравнение с ТЕЦ или АЕЦ, например? Широкото използване на една технология е въпрос на настоящата й икономическа ефективност. Днес, производството на електрическа енергия от слънцето трудно се конкурира ценово с традиционните електропроизводствени мощности. Също така, фотоелектрическите системи генерират енергия само през деня и мощността им е функционално зависима от климатичните условия.

Дългосрочната тенденция обаче е в посока непрекъснато повишаване на цената на първичните енергийни източници. Така че, вероятно ще настъпи момент, в който слънчевите електропроизводствени технологии ще могат да се конкурират успешно с работещите на въглища или природен газ, например.

Слънчевите централи се характеризират с редица предимства пред захранваните с изкопаеми горива и ядрените електропроизводствените мощности. На първо място, изграждането на една слънчева централа е много по-бързо, тъй като фотоелектрическите модули се отличават с лесен монтаж и свързване. Също така, къде по-малко сложно е да се съобрази местоположението на една слънчева електроцентрала с инфраструктурните особености на района. Изборът на местоположение за една конвенционална електроцентрала е много по-сложен въпрос. Изграждането на слънчеви централи в отдалечени приложения предотвратява загубите на електроенергия, характерни за преноса й на големи разстояния. И, за разлика от традиционните електроцентрали, модулните слънчеви електрогенериращи мощности могат да се разширяват поетапно в съответствие с нарастването на консумацията. Не бива да се подценява и фактът, че слънчевите електроцентрали не замърсяват въздуха и водите, запазвайки екологичното равновесие в природата. Именно, поради нейната екологичност производството на слънчевата енергия се стимулира чрез различни инициативи в развитите държави.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top