Преобразуватели на слънчева в електрическа енергия

Принципи на действие, характеристики и разновидности на съвременните фотоволтаични клетки и панели

Един от големите и задълбочаващи се проблеми на човечеството е производството на електроенергия. ТЕЦ-овете нямат кой знае какъв к.п.д., замърсяват атмосферата, а и запасите от въглища не са безкрайни. Подобно е положението с централите, работещи с мазут. АЕЦ представляват не само потенциална опасност, но и създават сериозни грижи за съхраняването на отпадъците от производството им. Същевременно огромното количество слънчева енергия, достигащо до Земята, се използва все още твърде малко. Непосредственото й преобразуване в електроенергия е не само екологично чисто, но и би могло да задоволи всички настоящи и бъдещи нужди на човечеството. Дори при сегашната технология на преобразуване, слънчеви колектори с площ 1 декар, разположени у нас, могат да осигуряват годишно около 100 MWh.

Малко история

През 1839 г. френският физик Бекерел открива, че попадането на светлина върху електрод, потопен в електролит, води до увеличаване на тока във веригата, а през 1883 г. Чарлз Фрит използва този ефект за създаване на първата слънчева клетка (Solar Cell). Тя представлява селен с тънък слой злато върху него, при което се образува преход метал-полупроводник. Клетката преобразува в електрическа енергия около 1% от светлинната. Малко след това този процес бива наречен фотоволтаичен ефект, който определя и най-често използваното наименование фотоволтаична клетка (Phovoltaic Cell, PV Cell) РVС. Точно обяснение на процеса дава Айнщайн през 1905 г., за което през 1921 г. получава Нобелова награда по физика. В периода 1927-1930 г. биват създадени РVС с практическо приложение като фотомери. Някои от тях също използват селен, а други – меден окис като полупроводник с покритие от мед. Още оттогава като параметър се въвежда коефициентът на преобразуване на енергията (Energy Conversion Efficiency) h, който показва каква част от слънчевата енергия се преобразува в електрическа, като стойностите му все още не надхвърлят 1%. Първата стъпка към съвременните РVС е направена през 1941 г. в САЩ с използването на силиций като полупроводник. Клетки от същия материал през 1954 г. вече имат h=6%, а през 1958 г. те за пръв път се използват за захранване на приемопредавателя в изкуствен спътник на Земята. Следващите години бележат непрекъснато нарастване на h, за да надхвърли той 20% в някои серийно произвеждани съвременни РVС. Те са основният елемент на преобразувателите на светлинна в електрическа енергия.

Принцип на действие на РVС

Над 95% от тях са силициеви, като идея за структурата им е дадена на фиг. 1. Между силициевия полупроводник тип N с дебелина няколко um и този от тип Р съществува PN-преход, а от двете им страни има електрически контакти от сребро или алуминий, свързани с изводите на клетката, като горният е много тънък и прозрачен за светлината. Силицият добре отразява светлината, което означава проникване в РVС само на част от нея и намаляване на h. За ограничаване на този нежелан ефект е поставен прозрачният противоотражателен слой (TiO2 или SiN), благодарение на който се отразява не повече от 5% от падащата светлина. За предпазване на клетката най-отгоре има стъклено или друго прозрачно покритие. Общата й дебелина е между 0,18 и 0,35 mm, а размерите най-често са 10x10 и 15x15 cm.

Фотоните на светлината, които навлизат в двата полупроводника имат различно поведение в зависимост от енергията си. Когато тя е близка, но по-малка от тази на широчината на забранената зона на полупроводниците, фотоните я отдават под формата на топлина. Само фотоните с по-голяма енергия я предават на електрони от ковалентните връзки, те се разкъсват и се получават свободни електрони и дупки. Под действие на електрическото поле на прехода електроните се натрупват в N-полупроводника, който се оказва отрицателният полюс на клетката, а дупките - в Р-полупроводника (положителен полюс) – фиг. 2. Полученото напрежението между полюсите на клетката при липса на товар е около 0,6 V, а при максималния консумиран ток намалява на 0,45-0,5 V. Допълнителна причина за нагряването на клетката в процеса на работа е превръщането в топлина на разликата между енергията на фотоните и тази на забранената зона. Важна особеност е, че голямата част от фотоните в слънчевата светлина са с по-голяма енергия от забранената зона.

За увеличаване на повърхността на клетките при запазване на размерите, слоевете 3-6 на фиг. 1 се реализират с вълнообразна форма. За увеличаване на количеството на светлината, попадащо върху РVС, е създадена разновидност с концентриране на светлината (Concentrating Photovoltaic, CPV) чрез лещи или огледала.

Символичното означение на РVС е дадено на фиг. 3а, като кръгчето липсва за клетки, представляващи част от панел. Описаното действие показва, че РVС може да се разглежда като генератор на ток с успоредно свързан диод, отчитащ наличието на преход. Тези два елемента са вляво на еквивалентната схема на фиг. 3б, а загубите на енергия в клетката се отразяват чрез резисторите Rp и Rs.

Използвани материали

Първата разновидност на силиция е с наименование монокристален силиций (Monocrystaline Silicon, c-Si), което показва, че клетката представлява един кристал. Производството му е по някой от утвърдените в полупроводниковата индустрия методи, например на Чохралски. Тези фотоволтаици са с най-голям h - 14-17% при серийно производство и до 24% в лабораторни модели. Необходимата прецизност на процеса на израстване на големия кристал увеличава цената му, което прави тези РVС най-скъпите. Типична такава РVС с площ 100 cm2 осигурява при максимално осветление мощност 1,5 W. За намаляване на цената някои РVС се изработват от лентов силиций (Ribbon Silicon), който също е монокристал, но във формата на тънък слой.

По-евтини, но и с по-малък h (13-15% при серийно производство и около 18% в лабораторни модели) са РVС от поликристален силиций (Polycrystaline Silicon, Poly-Si, pc-Si). Наименованието им се дължи на технологията на производство, при която течният силиций се излива на няколко пъти и след втвърдяването му се получава структура с множество кристали с размери около 1 mm. Местата на тяхното допиране могат да се разглеждат като дефекти в кристалната решетка, което е причината за по-малкия h. Подобни са РVС от многокристален силиций (Multicrystaline Silicon, mc-Si), но размерите на кристалите са между 1 mm и 10 cm. Разгледаните дотук видове са представителите на т. нар. обемна технология (Bulk Technology), при която целият обем на клетката взима участие в преобразуването на светлината.

Трета разновидност е аморфният силиций (Amorphous Silicon, a-Si), който е основният представител на тънкослойните технологии. Основната му особеност е, че преобразува светлината около 40 пъти по-ефикасно от монокристалния силиций, което позволява използването на слоеве с дебелина до 1 mm, нанесени върху основа от стъкло, стомана или друг материал. Реализират се и РVС с основа от гъвкава пластмаса. Типичната структура на РVС е дадена на фиг. 4. Предимство на аморфния силиций е значително по-ниската цена на РVС, което определя както приложението му в масови устройства - калкулатори, градински осветители, така и в специализирани - например сензори. Типичен представител е моделът АТ-2400В на Sanyo, който осигурява напрежение 1,5 V, ток 18,5 mA и тежи 0,1 g. Недостатък на аморфния силиций е по-малкият h с типични стойности между 5 и 7% за серийно производство и до 13% в лабораторни модели.

За съчетаване на предимствата на описаните разновидности са създадени РVС, при които от двете страни на пластинка от монокристален силиций тип N се нанася по един много тънък слой аморфен силиций (фиг. 5). Легирането на последните е твърде слабо, поради което съпротивлението им е между това на собствен и легиран полупроводник. Тъй като единият слой е тип Р, а другият тип N, преходите между тях и монокристалния силиций са различни, което определя наименованието на клетката HIT Cell (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer). Типичната стойност на h е 17,8%. За по-нататъшно увеличаване на h при запазване на ниската цена има лабораторни разработки на двойни клетки (Tandem Cell, Stacked Cell) с два тънки фоточувствителни слоя – горен от аморфен силиций и долен от нанокристален силиций (Nanocrystaline Silicon, nc-Si), който “улавя” и инфрачервените лъчи. Друг разработван със същите цели тип са РVС от тънкослоен кристален силиций върху стъкло (Thin-Film Crystaline Silicon on Glass, CGS). На негова основа се очаква производство на полупрозрачни РVС, които да се използват като стъкла за прозорци.

Сравнително голяма е стойността на h при тънкослойния кадмиев телурид (CdTe), технологията за чието нанасяне е проста и подходяща за серийно производство. Такива РVС са използвани в действащи слънчеви електроцентрали в Германия и САЩ, както и в строящи се 100-мегаватови в Германия и Малайзия.

Също тънкослоен материал е медно-индиевият двуселенид (CuInSe2) със съкращение CIS, който реално съдържа и малки количества елементи от I, III и V група и осигурява h = 13,5%. Независимо от сравнително високата му засега цена той е привлекателен с възможността за производство на РVС с предварително зададени характеристики, необходими за конкретно приложение. Има и серийно производство на гъвкави клетки от този тип (Pliable SIC Solar Cell). За увеличаване на h до 19,5% е разработена технологията CIGS, буквата G в чието съкращение отразява прибавянето на съединението CuGaSe2. Има вече и лабораторни разработки на гъвкави клетки от този тип с основа от полиамид и h = 14,1%.

Едно от основните предимства на всички тънкослойни технологии е много по-малкото количество на използваните полупроводникови материали (около 1%) в сравнение с обемните технологии. Например за площ от 1 m2 е необходим около 1 g аморфен силиций.

Друг тип са многопреходните клетки (Multijunction Cell), чието наименование се дължи на използването на няколко различни полупроводника (например GaAs, Ge и GaInP2) и имащи съответно на няколко прехода между тях. Всеки от полупроводниците преобразува максимално ефективно определена част от електромагнитния спектър (не само видимия) на слънчевата светлина, с което се увеличава h. Пример за такава РVС, използваща различни полупроводници от III и V група на периодичната система, е даден на фиг. 6. Съществуват лабораторни образци с h = 40%, от които се очаква производство на електроенергия на същите цени, както класическите електроцентрали. Поради високата засега производствена цена приложенията им доскоро се ограничаваха главно в космически апарати, но вече има такива и за битови цели.

Основни параметри

Те зависят от няколко външни фактора, поради което се определят при стандартни условия за измерване (Standard Test Conditions) STC, които включват температура на клетката 25°С, енергия на светлината Еl = 1000W/m2 и слънчев референтен спектър (Air Mass, Spectrum, Spectral Distribution) АМ1.5. Последният означава, че пътят изминаван от светлината в атмосферата е 1,5 пъти по-голям от най-краткия, когато слънцето е в зенита си. Тъй като поглъщането от атмосферата на част от слънчевите лъчи зависи от тяхната дължина на вълната, величината АМ1.5 определя честотния спектър на попадащите върху клетката лъчи. Освен STC често се дават и стойностите на параметрите за номиналната работна температура на клетката (Nominal Operating Cell Temperature) NOCT, която включва условията Еl = 800W/m2, АМ1.5, скорост на вятъра 1 m/s и околна температура 20°С.

Напрежението на празен ход

(Open-Circuit Voltage) Voc е без консумиране на ток и практически не се променя при намаляване на Еlдо около 200 W/m2. При силициеви клетки то е с отрицателен температурен коефициент aVoc с типични стойности между -0,2%/°С и -0,5%/°С. В някои каталози вместо него се дава графика Voc(t°). Токът на късо съединение (Short Circuit Current) Isc също не се нуждае от определение. Стойността му зависи от вида на клетката и нейната площ и обикновено е между 5 A/m2 и 20 A/m2, например клетките от поликристален силиций имат типична стойност около 10 A/m2. Тя намалява по линеен закон при Еl< 1000W/m2, като отношението Еl/Isc се запазва непроменено. Токът слабо нараства с температурата, като температурният му коефициент aIsc типично е между +0,02%/°С и +0,06%/°С.

Волтамперните характеристики

са с вида на фиг. 7а и показват, че след определено напрежение на клетката токът, който тя може да осигури, намалява. Поради отрицателният температурен коефициент на Vос всяка от тях се измества наляво с повишаване на температурата. За приложенията е важна мощността Р, която клетката може да осигури върху свързания към нея товар. Тя е в съответствие с кривите на фиг. 7б, а като параметър се дава максималната мощност (Maximum Power Rating) Pmax (или Pmpp). Вижда се, че тя зависи от напрежението върху клетката и е най-голяма при напрежението за максимална мощност (Maximum Power Voltage) Vmp (или Vmpp) със стойности между 0,65Vос и 0,8Voc. На нея съответства максимален ток (Maximum Power Current) Imp (или Impp), който е с 10-15% по-малък от Isc. Освен това Pmax намалява с увеличаване на температурата и има типичен температурен коефициент aPmpp около -0,6%/°С. Към основните параметри се отнася и коефициентът на преобразуване на енергията, който се изчислява по формулата h=Pmax/(ElAc), където Ас е площта на РVС. Тя показва, че стойността му намалява с понижаване на Еl.

За оценка на качествата на една РVС може да се използва коефициентът на ефективност (Fill Factor) FF = P

max/(VocIsc), който се изчислява, а не се дава в каталозите и е желателно да бъде максимално близък до 1.

Слънчеви панели (Photovoltaic Panel) PVP

Малкото напрежение на РVС рязко ограничава приложенията им, поради което за повишаването му се използва последователно свързване на еднакви РVС (фиг. 8а), чиито брой n може да достигне 100. Това е единият тип РVР, чието напрежение и мощност са n пъти по-големи от тези на една от РVС. Недостатък на свързването е, че дори една РVС да не е осветена, мощността от РVР намалява приблизително наполовина. Това се избягва чрез диодите D

B (Bypass Diode), които шунтират своята неосветена клетка. Диодът Ds (Blocking Diode) се поставя само в РVР, предвидени за работа в системи с буферно захранване. Действието им е познато от други области на енергетиката и представлява захранване на постояннотоков товар от два източника, например РVР и акумулатор, като всеки от тях съдържа подобен диод. Винаги е отпушен само този на източника с най-голямо напрежение, което захранва товара. Другият източник е със запушен диод и не консумира ток от работещия. За Ds се предпочитат диоди на Шотки поради малкото им напрежение, което намалява осигуряваното на товара.

Увеличаването на тока над този на всяка от РVС се постига чрез паралелно свързване на еднакви колони от РVС (фиг. 8б). Полезно е да се има предвид, че h на РVР е с 5-10% по-малък от този на изграждащите го РVС.

Сериозните изисквания за малко тегло на РVР и добра механична здравина налагат използването най-често на рамка от анодиран Al и ограничава площта им малко над 1 m

2. Издръжливостта към атмосферни въздействия също е важна, сред техническите решения за което е покриване на панела с етиленвинилацетатна (ЕVА) смола или устойчив на ултравиолетовите лъчи полимер. Друга особеност е експлоатационият срок – между 10 и 25 години, в края на който доставяната от РVР мощност намалява най-много с 20%.

Характерни примери за РVР на основата на c-Si са дадени в табл.1, като тези в ред 2 имат разновидности с mc-Si и лентов Si. В табл. 2 са дадени РVР от pc-Si и mc-Si. Всички РVР от тези видове имат работен температурен обхват обикновено от -40 до +85/+90°С. Основните параметри на няколко вида тънкослойни РVР са в табл. 3, даденият в ред 1 на която е предназначен за захранване на портативни устройства и се сгъва за пренасяне. Сравнително малко е производството на аморфни панели, използвани основно в райони с много слънчеви дни. Специфичен пример е гъвкавият панел (за транспортиране се навива на руло) PVL-68 с параметри в последния ред на табл. 3. Той обикновено се поставя на покриви подобно на изолационно платно.

Системи

Неголямата площ на РVР ограничава тяхната мощност и напрежение. За преодоляване на този проблем се използват фотоволтаични колектори (Phovoltaic Array) РVА с повече РVР, свързани по една от схемите на фиг. 8. При тях няма теоретични ограничения за получаване на произволно голяма мощност, което ги прави основният градивен блок на слънчевите електроцентрали. Превръщането на постоянното в променливо напрежение става чрез DC/AC преобразуватели, известни като инвертори. Максимална мощност от РVА се получава при перпендикулярно попадане на слънчевите лъчи върху тях, което е едно от задължителните изисквания към мястото и начина на монтиране. В допълнение към това има системи (особено тези с по-големи мощности) с автоматично движение на панелите за следене на Слънцето. Специфичен параметър на всяка система е количеството произвеждана енергия за едно денонощие от 1 m

2 площта на РVА с мерна единица kWh/m2/day.

Могат да се разграничат 4 основни вида системи за захранване чрез слънчева енергия. Първите са самостоятелните системи (PV Stand-Alone System), които осигуряват електрическа енергия само при наличие на достатъчно силна светлина и дават постоянно напрежение. Използват се главно в отдалечени места, например за захранване на системи в селското стопанство (водни помпи) и вентилатори. Вторият вид (PV System with Battery) осигурява електрозахранване и при липса на слънце, тъй като имат акумулатор и зарядно устройство. Акумулаторите са от типа Deep-Cycle, което означава възможност за пълно разреждане и консумиране продължително време на сравнително малък ток. Съществуват разновидности без и със инвертор, а най-подходящи са оловните и никел-кадмиевите акумулатори. Използват се в дворове и градини, знаци и информационни табла по пътища и в други отдалечени места - вили, хижи, маломощни радио-, телевизионни и GSM предаватели, междинни станции на жични и оптични комуникационни мрежи. За зареждане на акумулаторите на електронни устройства има РVР с вградено зарядно устройство (Portable Solar Module, Solar Panel Kit). Примери са серията UNI-PAC с P

max = 10-24 W и Vос, равно на 17,6 или 35,2 V, и серията ProStar c Voc, равно на 12 или 24 V и ток между 8 и 30 А. От същия тип е ВР3125 на BP Solar, който съдържа 36 поликристални клетки и е предназначен за зареждане на 12-волтови акумулатори. Като самостоятелни устройства има контролери за зареждане на акумулатори, например Tarom 440 на Steca за такива с напрежение 48 V и заряден ток до 40 А.

Следващият вид са системи с генератор, които освен акумулатор имат генератор с дизелов двигател, включващ се автоматично при разреждане на акумулатора. Разновидност са хибридните системи, обикновено с по-голяма мощност, в които генераторът се включва при повишаване на консумацията дори през деня. И последният, вероятно най-масово използван вид, са системи свързвани към електрическата мрежа (PV Connected to Utility Grid). Те не само ползват енергия от мрежата при недостатъчна светлина, но могат да й доставят срещу заплащане, като задължително използват инвертори. Пример за последните e StecaGrid500, който работи с панели с максимална мощност 625 W и осигурява напрежение 220 V. Възможно е съвместно свързване на няколко инвертора за осигуряване на мощност до 3,9 kW. Друг пример е StecaGrid 9000 3hp, предназначен за 3-фазни симетрични мрежи с мощност 9 kW и възможност за осигуряване до 100 kW с няколко инвертора.

Някои предимства и недостатъци

Освен екологично чистото производство на електроенергия, допълнително предимство на фотоволтаичните системи е относителната независимост от състоянието на електрическата мрежа - изключването на електрозахранването няма последици за офиса и дома.

Основният засега недостатък е високата цена инвестициите - според доклад на Европейската комисия от 2006 г тя е 5,46 евро за всеки ват инсталирана мощност. Той частично се компенсира от преференциалната цена на изкупуване на енергията от фотоволтаични системи у нас - според решение № Ц-033 на ДКЕВР от 29.12.2006 г. тя се формира като към средната продажна цена на електроенергията се прави добавка между 650 и 710 лева на MWh.

Стефан Куцаров