Photoelektrische Solarwandler. Die Umwandlung von Sonnenenergie ist ein vielversprechender Weg für die Energieentwicklung. Arten von fotoelektrischen Wandlern

Arten von fotoelektrischen Wandlern

Aus energetischer Sicht sind die energieeffizientesten Geräte zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie (da es sich um eine direkte, einstufige Energiewende handelt) Halbleiter-Photoelektrische-Wandler (PVC). Bei einer für Solarzellen charakteristischen Gleichgewichtstemperatur in der Größenordnung von 300–350 Kelvin und einer Sonnentemperatur von ~ 6000 K liegt ihr theoretischer Grenzwirkungsgrad bei >90 %. Dies bedeutet, dass es durch die Optimierung des Aufbaus und der Parameter des Konverters mit dem Ziel, irreversible Energieverluste zu reduzieren, durchaus möglich ist, den praktischen Wirkungsgrad auf 50 % und mehr zu steigern (in Laboratorien wurde bereits ein Wirkungsgrad von 40 % erreicht). erreicht).

Theoretische Forschungen und praktische Entwicklungen auf dem Gebiet der photoelektrischen Umwandlung von Sonnenenergie haben die Möglichkeit bestätigt, mit Solarzellen solch hohe Effizienzwerte zu realisieren, und die wichtigsten Wege zur Erreichung dieses Ziels aufgezeigt.

Die Energieumwandlung in Solarzellen basiert auf dem photovoltaischen Effekt, der in inhomogenen Halbleiterstrukturen bei Sonneneinstrahlung auftritt. Die Heterogenität der FEC-Struktur kann durch Dotieren desselben Halbleiters mit unterschiedlichen Verunreinigungen (Erzeugung von p-n-Übergängen) oder durch Kombination verschiedener Halbleiter mit einer unterschiedlichen Bandlücke – der Energie der Ablösung eines Elektrons von einem Atom (Erzeugung von Heteroübergängen) – oder durch erreicht werden Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Halbleiters, was zum Auftreten eines Bandlückengradienten führt (Erzeugung von Strukturen mit abgestufter Lücke). Auch verschiedene Kombinationen dieser Methoden sind möglich. Die Umwandlungseffizienz hängt von den elektrischen Eigenschaften der inhomogenen Halbleiterstruktur sowie den optischen Eigenschaften von Solarzellen ab, wobei die Photoleitfähigkeit aufgrund der Phänomene des internen photoelektrischen Effekts in Halbleitern bei der Bestrahlung die wichtigste Rolle spielt mit Sonnenlicht. Das Funktionsprinzip der Solarzelle lässt sich am Beispiel von Konvertern mit pn-Übergang erklären, die in der modernen Solar- und Weltraumenergie weit verbreitet sind. Ein Elektron-Loch-Übergang wird erzeugt, indem eine Platte aus einem einkristallinen Halbleitermaterial mit einem bestimmten Leitfähigkeitstyp (d. h. entweder p- oder n-Typ) mit einer Verunreinigung dotiert wird, die für die Bildung einer Oberflächenschicht des entgegengesetzten Typs sorgt der Leitfähigkeit.

Die Dotierstoffkonzentration in dieser Schicht muss deutlich höher sein als die Dotierstoffkonzentration im Grundmaterial (ursprünglicher Einkristall), um die dort vorhandenen freien Hauptladungsträger zu neutralisieren und eine Leitfähigkeit mit umgekehrtem Vorzeichen zu erzeugen. An der Grenze der n- und p-Schicht bilden sich durch Ladungsverlust verarmte Zonen mit einer unkompensierten positiven Volumenladung in der n-Schicht und einer negativen Volumenladung in der p-Schicht. Diese Zonen bilden zusammen einen pn-Übergang. Die an der Verbindungsstelle entstandene Potentialbarriere (Kontaktpotentialdifferenz) verhindert den Durchgang der Hauptladungsträger, d.h. Elektronen von der Seite der p-Schicht, aber kleinere Ladungsträger passieren ungehindert in entgegengesetzte Richtungen. Diese Eigenschaft von pn-Übergängen bestimmt die Möglichkeit, bei der Bestrahlung von Solarzellen mit Sonnenlicht eine Photo-EMK zu erhalten. Die durch Licht in beiden Schichten der Solarzelle erzeugten Nichtgleichgewichtsladungsträger (Elektron-Loch-Paare) werden am pn-Übergang getrennt: Nebenladungsträger (d. h. Elektronen) passieren den Übergang frei, während die Hauptladungsträger (Löcher) verzögert werden . Somit fließt unter der Einwirkung der Sonnenstrahlung ein Strom aus nicht im Gleichgewicht befindlichen Minoritätsladungsträgern, Photoelektronen und Photolöchern, in beide Richtungen durch den pn-Übergang, was genau das ist, was für den Betrieb der Solarzelle erforderlich ist. Wenn wir nun den äußeren Stromkreis schließen, kehren die Elektronen aus der n-Schicht, nachdem sie an der Last Arbeit geleistet haben, zur p-Schicht zurück und rekombinieren (vereinigen) sich dort mit Löchern, die sich im Inneren der Solarzelle in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Um Elektronen zu sammeln und an einen externen Stromkreis abzuführen, befindet sich auf der Oberfläche der FEP-Halbleiterstruktur ein Kontaktsystem. Auf der vorderen, beleuchteten Oberfläche des Konverters sind die Kontakte gitter- oder kammförmig ausgeführt, auf der Rückseite können sie massiv sein.

Die wichtigsten irreversiblen Energieverluste in Solarzellen sind verbunden mit:

Reflexion der Sonnenstrahlung von der Oberfläche des Wandlers,
der Durchgang eines Teils der Strahlung durch die Solarzelle ohne Absorption in dieser,
Streuung überschüssiger Photonenenergie an thermischen Schwingungen des Gitters,
Rekombination der gebildeten Photopaare auf den Oberflächen und im Volumen der Solarzelle,
Innenwiderstand des Wandlers,
und einige andere physikalische Prozesse.

Um alle Arten von Energieverlusten in Solarzellen zu reduzieren, werden verschiedene Maßnahmen entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Diese beinhalten:

die Verwendung von Halbleitern mit einer optimalen Bandlücke für Sonnenstrahlung;
gezielte Verbesserung der Eigenschaften der Halbleiterstruktur durch deren optimale Dotierung und die Erzeugung eingebauter elektrischer Felder;
Übergang von homogenen zu heterogenen Halbleiterstrukturen mit abgestufter Lücke;
Optimierung der Designparameter der Solarzelle (Tiefe des pn-Übergangs, Dicke der Basisschicht, Frequenz des Kontaktgitters usw.);
die Verwendung multifunktionaler optischer Beschichtungen, die für Antireflexion, thermische Kontrolle und Schutz von Solarzellen vor kosmischer Strahlung sorgen;
Entwicklung von Solarzellen, die im langwelligen Bereich des Sonnenspektrums über den Rand des Hauptabsorptionsbandes hinaus transparent sind;
die Schaffung von Kaskadensolarzellen aus speziell für die Breite der Bandlücke ausgewählten Halbleitern, die es ermöglichen, in jeder Kaskade die Strahlung umzuwandeln, die die vorherige Kaskade durchlaufen hat usw.;

Außerdem wurde eine deutliche Steigerung der Effizienz von Solarzellen durch die Schaffung von Konvertern mit beidseitiger Empfindlichkeit (bis zu + 80 % der vorhandenen Effizienz einer Seite), die Verwendung von lumineszierenden reemittierenden Strukturen und die vorläufige Zersetzung der Solarzellen erreicht Spektrum in zwei oder mehr Spektralbereiche mithilfe von mehrschichtigen Filmstrahlteilern (dichroitischen Spiegeln) mit anschließender Transformation jedes Abschnitts des Spektrums durch eine separate Solarzelle usw.

In SES-Energieumwandlungssystemen (Solarkraftwerken) können grundsätzlich alle Arten von Solarzellen unterschiedlicher Struktur, die auf Basis verschiedener Halbleitermaterialien erstellt und entwickelt werden, eingesetzt werden, jedoch erfüllen nicht alle die Anforderungen an diese Systeme:

hohe Zuverlässigkeit bei langer Lebensdauer (mehrere Jahre!)
die Verfügbarkeit von Rohstoffen in ausreichender Menge für die Herstellung von Elementen des Umwandlungssystems und die Möglichkeit, deren Massenproduktion zu organisieren;
aus Sicht der Amortisationszeit akzeptabel, Energiekosten für die Schaffung eines Transformationssystems;
minimale Energie- und Massenkosten im Zusammenhang mit der Steuerung des Energieumwandlungs- und -übertragungssystems (Weltraum), einschließlich der Ausrichtung und Stabilisierung der gesamten Station;
einfache Wartung.

So sind beispielsweise einige vielversprechende Materialien aufgrund der begrenzten natürlichen Ressourcen der Rohstoffe und der Komplexität ihrer Verarbeitung nur schwer in den für den Bau eines Solarkraftwerks erforderlichen Mengen zu beschaffen. Separate Methoden zur Verbesserung der Energie- und Betriebseigenschaften von Solarzellen, beispielsweise durch die Schaffung komplexer Strukturen, sind schlecht mit den Möglichkeiten vereinbar, ihre Massenproduktion zu geringen Kosten usw. zu organisieren. Eine hohe Produktivität kann nur durch die Organisation einer vollautomatischen Produktion von Solarzellen, beispielsweise auf Basis der Bandtechnologie, und den Aufbau eines ausgebauten Netzwerks spezialisierter Unternehmen des entsprechenden Profils, d.h. Tatsächlich handelt es sich um eine ganze Industrie, deren Ausmaß der modernen radioelektronischen Industrie entspricht. Die Herstellung von Solarzellen und die Montage von Solarbatterien auf automatisierten Linien werden die Kosten eines Batteriemoduls um das 2- bis 2,5-fache senken.

Silizium und Galliumarsenid (GaAs) gelten derzeit als die wahrscheinlichsten Materialien für photovoltaische Solarenergieumwandlungssysteme von Solarkraftwerken, wobei es sich im letzteren Fall um Heterophotokonverter (HFP) mit der AlGaAs-GaAs-Struktur handelt.

Solarzellen (Photovoltaik-Wandler), die auf der Verbindung von Arsen mit Gallium (GaAs) basieren, haben bekanntermaßen einen höheren theoretischen Wirkungsgrad als Silizium-Solarzellen, da ihre Bandlücke praktisch mit der optimalen Bandlücke für Halbleiter-Solarenergiewandler =1 übereinstimmt .4 eV. Für Silizium beträgt dieser Indikator 1,1 eV.

Aufgrund der höheren Absorption der Sonnenstrahlung, die durch direkte optische Übergänge in GaAs bestimmt wird, kann eine hohe Effizienz der darauf basierenden Solarzellen bei einer viel geringeren Dicke der Solarzellen im Vergleich zu Silizium erzielt werden. Grundsätzlich reicht eine HFP-Dicke von 5–6 µm aus, um einen Wirkungsgrad von mindestens 20 % zu erreichen, während die Dicke von Siliziumelementen nicht weniger als 50–100 µm betragen darf, ohne dass der Wirkungsgrad spürbar abnimmt. Dieser Umstand ermöglicht es, mit der Schaffung von Leichtfilm-HFPs zu rechnen, für deren Herstellung relativ wenig Ausgangsmaterial erforderlich ist, insbesondere wenn nicht GaAs, sondern ein anderes Material, beispielsweise synthetischer Saphir, als Substrat verwendet werden kann (Al2O3).

HFPs weisen im Vergleich zu Silizium-PVCs auch günstigere Leistungsmerkmale hinsichtlich der Anforderungen an SES-Konverter auf. Insbesondere die Möglichkeit, aufgrund der großen Bandlücke kleine Anfangswerte der umgekehrten Sättigungsströme in pn-Übergängen zu erreichen, ermöglicht es, die Größe negativer Temperaturgradienten des Wirkungsgrades und der optimalen Leistung des HFP zu minimieren und darüber hinaus den Bereich der linearen Abhängigkeit dieser von der Lichtstromdichte deutlich erweitern. Die experimentellen Temperaturabhängigkeiten der HFP-Effizienz zeigen, dass eine Erhöhung der Gleichgewichtstemperatur der letzteren auf 150–180 °C nicht zu einer signifikanten Verringerung ihrer Effizienz und optimalen spezifischen Leistung führt. Gleichzeitig ist für Silizium-Solarzellen der Temperaturanstieg über 60-70°C nahezu kritisch – der Wirkungsgrad sinkt um die Hälfte.

Aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen ermöglichen Galliumarsenid-Solarzellen den Einsatz von Solarstrahlungskonzentratoren. Die Betriebstemperatur von HFP auf GaAs erreicht 180 °C, was für Wärmekraftmaschinen und Dampfturbinen bereits recht hohe Betriebstemperaturen darstellt. Somit kann man zu dem inhärenten Wirkungsgrad von Galliumarsenid-HFPs von 30 % (bei 150 °C) den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine hinzufügen, die die Abwärme der Flüssigkeit nutzt, die die Fotozellen kühlt. Daher kann der Gesamtwirkungsgrad der Anlage, die nach der Turbine auch den dritten Zyklus der Niedertemperaturwärmeentnahme aus dem Kühlmittel zur Raumheizung nutzt, sogar über 50-60 % liegen.

Außerdem sind HFPs auf GaAs-Basis in viel geringerem Maße als Silizium-PVCs anfällig für Zerstörung durch hochenergetische Protonen- und Elektronenströme, da GaAs ein hohes Maß an Lichtabsorption aufweist und nur eine geringe Lebensdauer und Diffusionslänge erfordert Minderheitstransportunternehmen. Darüber hinaus haben Experimente gezeigt, dass ein erheblicher Teil der Strahlungsdefekte in GaAs-basierten HFPs nach ihrer Wärmebehandlung (Glühen) bei einer Temperatur von knapp 150–180 °C verschwindet. Wenn GaAs-HFPs ständig bei einer Temperatur von etwa 150 °C betrieben werden, ist der Grad der strahlungsbedingten Verschlechterung ihrer Effizienz während der gesamten aktiven Betriebszeit der Stationen relativ gering (dies gilt insbesondere für Weltraum-Solarkraftwerke, für die Licht erforderlich ist). Gewicht und Größe der Solarzellen sowie ein hoher Wirkungsgrad sind wichtig).

Insgesamt lässt sich der Schluss ziehen, dass die Energie-, Masse- und Betriebseigenschaften von GaAs-basierten HFPs eher den Anforderungen von SES und SCES (kosmisch) entsprechen als die Eigenschaften von Silizium-PVCs. Allerdings ist Silizium ein viel zugänglicheres und besser beherrschbares Material als Galliumarsenid. Silizium ist in der Natur weit verbreitet und die Vorräte an Rohstoffen für die Herstellung darauf basierender Solarzellen sind praktisch unbegrenzt. Die Herstellungstechnologie von Silizium-Solarzellen ist gut etabliert und wird kontinuierlich verbessert. Durch die Einführung neuer automatisierter Produktionsmethoden, die insbesondere die Gewinnung von Siliziumbändern, großflächigen Solarzellen usw. ermöglichen, besteht eine reale Aussicht, die Kosten von Silizium-Solarzellen um ein bis zwei Größenordnungen zu senken.

Die Preise für Silizium-Photovoltaikbatterien sind in 25 Jahren um das 20- bis 30-fache gesunken, von 70-100 Dollar/Watt in den siebziger Jahren auf 3,5 Dollar/Watt im Jahr 2000 und sinken weiter. Im Westen wird eine Revolution im Energiesektor erwartet, sobald der Preis die 3-Dollar-Marke überschreitet. Nach einigen Berechnungen könnte dies bereits im Jahr 2002 geschehen, und für Russland mit den aktuellen Energietarifen wird dieser Moment zu einem Preis von 0,3 bis 0,5 Dollar für 1 Watt SB kommen, also zu einem um eine Größenordnung niedrigeren Preis. Hier spielt alles zusammen eine Rolle: Zölle, Klima, geografische Breiten, die Fähigkeit des Staates zur Realpreisbildung und langfristige Investitionen. In tatsächlich funktionierenden Strukturen mit Heteroübergängen erreicht der Wirkungsgrad heute mehr als 30 %, in homogenen Halbleitern wie einkristallinem Silizium bis zu 18 %. Der durchschnittliche Wirkungsgrad von Solarzellen auf Basis von einkristallinem Silizium liegt heute bei etwa 12 %, erreicht jedoch 18 %. Im Grunde sind es Silizium-SBs, die heute auf Hausdächern in verschiedenen Ländern der Welt zu sehen sind.

Im Gegensatz zu Silizium ist Gallium ein sehr knappes Material, was die Möglichkeit einschränkt, HFPs auf GaAs-Basis in den für eine breite Anwendung erforderlichen Mengen herzustellen.

Gallium wird hauptsächlich aus Bauxiten gewonnen, es wird aber auch über die Möglichkeit nachgedacht, es aus Kohlenasche und Meerwasser zu gewinnen. Die größten Galliumreserven befinden sich im Meerwasser, allerdings ist die Konzentration dort sehr gering, die Extraktionsausbeute wird auf nur 1 % geschätzt und daher dürften die Produktionskosten unerschwinglich sein. Die Technologie zur Herstellung von HFP auf GaAs-Basis mit den Methoden der Flüssigkeits- und Gasepitaxie (orientiertes Wachstum eines Einkristalls auf der Oberfläche eines anderen (auf einem Substrat)) ist noch nicht im gleichen Maße entwickelt wie die Technologie dafür die Produktion von Silizium-PVCs, und infolgedessen sind die Kosten für HFP jetzt (bezogen auf die Bestellungen) deutlich höher als die Kosten einer Solarzelle aus Silizium.

Die Kosten für HFPs werden bei der Massenproduktion auf der Grundlage fortschrittlicher Technologie wahrscheinlich ebenfalls erheblich gesenkt, und im Allgemeinen können die Kosten für das Umwandlungssystem des Energieumwandlungssystems von GaAs-HFP-Solarkraftwerken den Kosten für a durchaus entsprechen Siliziumbasiertes System. Daher ist es derzeit schwierig, einem der beiden betrachteten Halbleitermaterialien – Silizium oder Galliumarsenid – den Vorzug zu geben, und erst die Weiterentwicklung ihrer Produktionstechnologie wird zeigen, welche Option für die Boden- und Weltraum-Solarenergietechnik sinnvoller ist. Sofern SBs Gleichstrom erzeugen, stellt sich die Aufgabe, diesen in eine Industriegröße von 50 Hz, 220 V umzuwandeln. Eine spezielle Geräteklasse, die Wechselrichter, leistet bei dieser Aufgabe hervorragende Arbeit.

Berechnung einer Photovoltaikanlage.

Sie können die Energie von Solarzellen genauso nutzen wie die Energie anderer Stromquellen, mit dem Unterschied, dass Solarzellen keinen Kurzschluss befürchten. Jeder von ihnen ist darauf ausgelegt, bei einer bestimmten Spannung eine bestimmte Stromstärke aufrechtzuerhalten. Doch im Gegensatz zu anderen Stromquellen hängen die Eigenschaften einer Solarzelle von der Lichtmenge ab, die auf ihre Oberfläche fällt. Beispielsweise kann eine einströmende Wolke die Ausgangsleistung um mehr als 50 % reduzieren. Darüber hinaus führen Abweichungen in den technologischen Regimen zu einer Streuung der Leistungsparameter der Elemente einer Charge. Der Wunsch, das Beste aus Photovoltaik-Wandlern herauszuholen, führt daher zu der Notwendigkeit, Zellen nach Ausgangsstrom zu sortieren. Als anschauliches Beispiel für ein „mieses Schaf, das die ganze Herde verdirbt“ kann Folgendes angeführt werden: Schneiden Sie ein Rohrstück mit einem viel kleineren Durchmesser in eine Lücke in einer Wasserleitung mit großem Durchmesser, wodurch der Wasserfluss unterbrochen wird wird drastisch sinken. Ähnliches geschieht in einer Kette ungleichmäßiger Leistungsparameter von Solarzellen.

Siliziumsolarzellen sind nichtlineare Geräte und ihr Verhalten kann nicht durch eine einfache Formel wie das Ohmsche Gesetz beschrieben werden. Um die Eigenschaften des Elements zu erklären, können Sie stattdessen eine Familie leicht verständlicher Kurven verwenden – Strom-Spannungs-Kennlinien (CVC).

Die von einem Element erzeugte Leerlaufspannung ändert sich geringfügig, wenn in einer Charge von einem Element zum anderen und von einem Hersteller zum anderen gewechselt wird, und beträgt etwa 0,6 V. Dieser Wert ist nicht von der Größe des Elements abhängig. Anders sieht es bei Strom aus. Sie hängt von der Intensität des Lichts und der Größe des Elements, also seiner Oberfläche, ab.

Ein Element mit einer Größe von 100 x 100 mm ist 100-mal größer als ein Element mit einer Größe von 10 x 10 mm und gibt daher bei gleicher Beleuchtung einen 100-mal größeren Strom ab.

Durch Belasten des Elements können Sie die Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Spannung grafisch darstellen und erhalten so etwas Ähnliches wie in Abb. 2

Die Spitzenleistung entspricht einer Spannung von etwa 0,47 V. Um die Qualität einer Solarzelle richtig beurteilen zu können und die Zellen unter gleichen Bedingungen miteinander zu vergleichen, ist es daher erforderlich, sie so zu laden, dass die Die Ausgangsspannung beträgt 0,47 V. Nachdem die Solarelemente für die Arbeit ausgewählt wurden, müssen sie verlötet werden. Serienelemente sind mit Stromsammelgittern ausgestattet, die zum Anlöten von Leitern bestimmt sind.

Batterien können in jeder gewünschten Kombination hergestellt werden. Die einfachste Batterie ist eine Kette aus in Reihe geschalteten Zellen. Sie können Ketten auch parallel schalten und so die sogenannte Serien-Parallel-Schaltung erhalten.

Ein wichtiger Punkt beim Betrieb von Solarzellen ist ihr Temperaturregime. Wenn das Element um ein Grad über 25 °C erhitzt wird, verliert es 0,002 V an Spannung, d.h. 0,4 %/Grad. Abbildung 3 zeigt eine Familie von CVC-Kurven für Temperaturen von 25 °C und 60 °C.

An einem hellen, sonnigen Tag erhitzen sich die Elemente auf 60–70 °C und verlieren jeweils 0,07–0,09 V. Dies ist der Hauptgrund für den Rückgang der Effizienz von Solarzellen, was zu einem Abfall der von der Zelle erzeugten Spannung führt. Der Wirkungsgrad einer herkömmlichen Solarzelle liegt derzeit zwischen 10 und 16 %. Das bedeutet, dass ein Element mit einer Größe von 100–100 mm unter Standardbedingungen 1–1,6 Watt erzeugen kann.

Alle Photovoltaikanlagen können in zwei Typen unterteilt werden: autonom und mit Anschluss an das Stromnetz. Stationen des zweiten Typs übertragen überschüssige Energie in das Netz, das als Reserve für den Fall eines internen Energiemangels dient.

Ein autonomes System besteht im Allgemeinen aus einem Satz Solarmodule, die auf einer Tragkonstruktion oder auf einem Dach platziert sind, einer Batterie, einem Entladeregler – Batterieladung – und Verbindungskabeln. Solarmodule sind der Hauptbestandteil für den Bau von Photovoltaikanlagen. Sie können mit jeder Ausgangsspannung hergestellt werden.

Nachdem die Solarzellen ausgewählt wurden, müssen diese verlötet werden. Serienelemente sind mit Stromsammelgittern zum Anlöten von Leitern ausgestattet. Batterien können in beliebiger Kombination hergestellt werden.

Die einfachste Batterie ist eine Kette aus in Reihe geschalteten Zellen.

Sie können diese Ketten parallel schalten und so die sogenannte Serien-Parallel-Schaltung erhalten. Parallel können nur Ketten (Leitungen) mit identischer Spannung geschaltet werden, während sich deren Ströme nach dem Kirchhoffschen Gesetz aufsummieren.

Beim Einsatz am Boden dienen sie meist zum Laden von Akkumulatoren (Batterien) mit einer Nennspannung von 12 V. Dabei werden in der Regel 36 Solarzellen in Reihe geschaltet und durch Laminieren auf Glas, Textolith, Aluminium versiegelt . In diesem Fall befinden sich die Elemente ohne Luftspalt zwischen zwei Lagen Dichtungsfolie. Die Vakuumlaminiertechnik erfüllt diese Anforderung. Bei einem Luftspalt zwischen Schutzglas und Element würden die Reflexions- und Absorptionsverluste 20-30 % betragen, im Vergleich zu 12 % ohne Luftspalt.

Die elektrischen Parameter einer Solarzelle sowie einer einzelnen Solarzelle werden in Form einer Strom-Spannungs-Kurve unter Standardbedingungen (Standard Test Conditions) dargestellt, d. h. bei Sonneneinstrahlung von 1000 W/m2, Temperatur – 25 °C und Sonnenspektrum auf einem Breitengrad von 45° (AM1.5).

Der Schnittpunkt der Kurve mit der Spannungsachse wird als Leerlaufspannung - Uxx bezeichnet, der Schnittpunkt mit der Stromachse wird als Kurzschlussstrom Ikz bezeichnet.

Die maximale Leistung des Moduls ist als höchste Leistung gemäß STC (Standard Test Conditions) definiert. Die der maximalen Leistung entsprechende Spannung wird als maximale Leistungsspannung (Betriebsspannung – Up) und der entsprechende Strom als maximaler Leistungsstrom (Betriebsstrom – Ip) bezeichnet.

Der Betriebsspannungswert für ein Modul bestehend aus 36 Zellen beträgt somit etwa 16…17 V (0,45…0,47 V pro Zelle) bei 25 °C.

Ein solcher Spannungsspielraum im Vergleich zur Spannung einer vollen Batterieladung (14,4 V) ist notwendig, um Verluste im Batterie-Lade-Entlade-Controller auszugleichen (wird später besprochen) und hauptsächlich, um die Betriebsspannung des Moduls zu reduzieren wenn das Modul durch Strahlung erhitzt wird: Der Temperaturkoeffizient für Silizium beträgt etwa minus 0,4 %/Grad (0,002 V/Grad für eine Zelle).

Zu beachten ist, dass die Leerlaufspannung des Moduls kaum von der Beleuchtung abhängt, während der Kurzschlussstrom und damit der Betriebsstrom direkt proportional zur Beleuchtung ist.

So erwärmen sich die Module bei Erwärmung unter realen Betriebsbedingungen auf eine Temperatur von 60-70 °C, was einer Verschiebung des Betriebsspannungspunktes beispielsweise für ein Modul mit einer Betriebsspannung von 17 V – von 17 entspricht V auf 13,7–14,4 V (0,38–0,4 V pro Zelle).

Basierend auf all dem ist es notwendig, sich der Berechnung der Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente des Moduls zu nähern. Wenn der Verbraucher eine Wechselspannung benötigt, wird ein Wechselrichter-Wandler von Gleichspannung in Wechselspannung hinzugefügt dieses Kit.

Die Berechnung von FES bedeutet die Bestimmung der Nennleistung von Modulen, ihrer Anzahl und ihres Anschlussschemas; Wahl des Typs, der Betriebsbedingungen und der Batteriekapazität; Wechselrichter- und Lade-Entlade-Controller-Kapazitäten; Bestimmung der Parameter von Verbindungskabeln.

Zunächst muss die Gesamtleistung aller gleichzeitig angeschlossenen Verbraucher ermittelt werden. Die jeweilige Leistung wird in Watt gemessen und ist in den Produktdatenblättern angegeben. Zu diesem Zeitpunkt ist es bereits möglich, die Wechselrichterleistung auszuwählen, die mindestens das 1,25-fache der berechneten betragen sollte. Es ist zu bedenken, dass ein so raffiniertes Gerät wie ein Kompressorkühlschrank zum Zeitpunkt der Markteinführung siebenmal mehr Strom verbraucht als auf dem Typenschild angegeben.

Der Nennbereich der Wechselrichter beträgt 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Für leistungsstarke Stationen (mehr als 1 kW) wird die Stationsspannung mindestens 48 V gewählt, weil Bei höheren Leistungen arbeiten Wechselrichter mit höheren Eingangsspannungen besser.

Der nächste Schritt besteht darin, die Kapazität der Batterie zu bestimmen. Die Batteriekapazität wird aus dem Standardkapazitätsbereich ausgewählt, der auf die Seite gerundet ist, die größer als die berechnete ist. Und die berechnete Kapazität erhält man, indem man einfach die Gesamtleistung der Verbraucher durch das Produkt aus Batteriespannung und dem Wert der Entladetiefe der Batterie in Bruchteilen dividiert.

Wenn beispielsweise die Gesamtleistung der Verbraucher 1000 Wh pro Tag beträgt und die zulässige Entladetiefe einer 12-V-Batterie 50 % beträgt, beträgt die berechnete Kapazität:

1000 / (12 x 0,5) = 167 Ah

Bei der Berechnung der Batteriekapazität im vollständig autonomen Modus muss das Vorhandensein bewölkter Tage in der Natur berücksichtigt werden, an denen die Batterie den Betrieb der Verbraucher gewährleisten muss.

Im letzten Schritt erfolgt die Ermittlung der Gesamtleistung und der Anzahl der Solarmodule. Für die Berechnung wird der Wert der Sonneneinstrahlung benötigt, der während des Betriebs der Station gemessen wird, wenn die Sonneneinstrahlung minimal ist. Bei ganzjähriger Nutzung ist dies der Dezember.

Im Abschnitt Meteorologie werden monatliche und jährliche Gesamtwerte der Sonnenstrahlung für die Hauptregionen Russlands sowie mit Abstufungen nach unterschiedlichen Ausrichtungen der Lichtempfangsebene angegeben.

Nimmt man von dort den Wert der Sonnenstrahlung für den für uns interessierenden Zeitraum und dividiert ihn durch 1000, erhält man die sogenannte Pico-Stundenzahl, also die bedingte Zeit, in der die Sonne sozusagen mit einem scheint Intensität von 1000 W/m2.

Beispielsweise beträgt der Wert der Sonneneinstrahlung für den Breitengrad Moskau und den Monat Juli 167 kWh/m2, wenn der Standort nach Süden in einem Winkel von 40° zum Horizont ausgerichtet ist. Das bedeutet, dass die Sonne im Juli im Durchschnitt 167 Stunden (5,5 Stunden pro Tag) mit einer Intensität von 1000 W/m2 scheint, obwohl die maximale Beleuchtungsstärke zur Mittagszeit an einem senkrecht zum Lichtfluss ausgerichteten Standort 700 nicht überschreitet. 750 W/m2.

Das Pw-Modul erzeugt während des ausgewählten Zeitraums die folgende Energiemenge: W = k Pw E / 1000, wobei E der Sonneneinstrahlungswert für den ausgewählten Zeitraum ist, k ein Koeffizient von 0,5 im Sommer und 0,7 im Winter ist.

Dieser Faktor korrigiert den Leistungsverlust von Solarzellen bei Erwärmung durch die Sonne und berücksichtigt auch den schrägen Einfall von Strahlen auf die Oberfläche der Module während des Tages.

Der Wertunterschied im Winter und Sommer ist auf die geringere Erwärmung der Elemente im Winter zurückzuführen.

Basierend auf der Gesamtleistung der verbrauchten Energie und der oben genannten Formel lässt sich die Gesamtleistung der Module leicht berechnen. Und wenn wir das wissen, erhalten wir durch einfache Division durch die Potenz eines Moduls die Anzahl der Module.

Bei der Erstellung eines FES wird dringend empfohlen, die Leistung der Verbraucher so weit wie möglich zu reduzieren. Verwenden Sie beispielsweise (wenn möglich) nur Leuchtstofflampen als Beleuchtungskörper. Solche Lampen verbrauchen zwar fünfmal weniger, liefern aber einen Lichtstrom, der dem einer Glühlampe entspricht.

Bei kleinen FES empfiehlt es sich, die Module auf einer Schwenkhalterung zu installieren, um eine optimale Drehung relativ zu den einfallenden Strahlen zu gewährleisten. Dadurch wird die Kapazität der Station um 20-30 % erhöht.

Ein wenig über Wechselrichter.

Wechselrichter oder Konverter von Gleichstrom in Wechselstrom dienen dazu, verschiedene Geräte und Geräte bei fehlender oder schlechter Qualität der Wechselstromversorgung mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 220 V in verschiedenen Notsituationen mit hochwertiger Stromversorgung zu versorgen. usw.

Der Wechselrichter ist ein gepulster Gleichstromwandler mit einer Spannung von 12 (24, 48, 60) V in Wechselstrom mit einer stabilisierten Spannung von 220 V bei einer Frequenz von 50 Hz. Die meisten Wechselrichter verfügen über einen STABILISIERTEN SINUSFÖRMIGEN Spannungsausgang, wodurch sie zur Stromversorgung nahezu aller Geräte und Geräte verwendet werden können.

Konstruktiv ist der Wechselrichter als Tischgerät ausgeführt. Auf der Vorderseite des Wechselrichters befinden sich ein Schalter für den Betrieb des Produkts und eine Anzeige für den Betrieb des Wechselrichters. Auf der Rückseite des Produkts befinden sich Leitungen (Anschlüsse) zum Anschluss einer Gleichstromquelle, beispielsweise einer Batterie, ein Erdungskabel für das Wechselrichtergehäuse, ein Loch mit Lüfterhalterung (Kühlung) und eine dreipolige Euro-Buchse für Anschließen der Last.

Die stabilisierte Spannung am Wechselrichterausgang ermöglicht eine qualitativ hochwertige Stromversorgung der Last bei Änderungen/Schwankungen der Eingangsspannung, beispielsweise bei entladener Batterie, oder Schwankungen des von der Last aufgenommenen Stroms. Durch die garantierte galvanische Trennung der Gleichstromquelle am Eingang und des Wechselstromkreises mit der Last am Ausgang des Wechselrichters können keine zusätzlichen Maßnahmen zur Gewährleistung der Betriebssicherheit bei Verwendung verschiedener Gleichstromquellen oder elektrischer Geräte ergriffen werden. Durch die Zwangskühlung des Leistungsteils und den geringen Geräuschpegel beim Betrieb des Wechselrichters können einerseits gute Gewichts- und Größeneigenschaften des Produkts gewährleistet werden, andererseits entstehen bei dieser Art der Kühlung keine Unannehmlichkeiten im Betrieb die Form von Lärm.

Eingebautes Bedienfeld mit elektronischer Anzeigetafel
Kapazitätspotentiometer, das Feineinstellungen ermöglicht
Normalisierte angeheftete Leiste: WE WY STEROW
Integrierte Bremsrotation
Kühler mit Lüfter
Ästhetische Befestigung
Stromversorgung 230 V – 400 V
Überlastung 150 % – 60 s
Hochlaufzeit 0,01...1000 Sekunden
Eingebauter Elektrofilter, Klasse A
Betriebstemperatur: -5°C - +45°C
RS485-Anschluss
Frequenzschrittsteuerung: 0,01 Hz - 1 kHz
Schutzklasse IP 20

Funktionell gewährleistet: Erhöhung, Verringerung der Frequenz, Kontrolle einer Überlastung, einer Überhitzung.

Die photoelektrische Methode zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie basiert auf dem Phänomen des photoelektrischen Effekts – der Freisetzung von Leitungselektronen im Strahlungsempfänger unter dem Einfluss solarer Strahlungsquanten.

Dieser Effekt wird in Halbleitermaterialien genutzt, in denen die Energie von Strahlungsquanten vorliegt H schafft zum Beispiel P–N-Übergangsfotostrom

ICH F =de e ,

Wo N e- die Anzahl der Elektronen, die an der Verbindungsstelle eine Potentialdifferenz erzeugen, wodurch an der Verbindungsstelle ein Leckstrom in die entgegengesetzte Richtung fließt ICH, gleich dem Photostrom, der konstant ist.

Energieverluste bei der photoelektrischen Umwandlung sind auf die unvollständige Nutzung von Photonen sowie auf Streuung, Widerstand und Rekombination bereits entstandener Leitungselektronen zurückzuführen.

Die gebräuchlichsten kommerziell erhältlichen Solarzellen (Fotozellen) sind lamellare Siliziumzellen. Es werden auch andere Typen und Designs entwickelt, um den Wirkungsgrad zu steigern und die Kosten von Solarzellen zu senken.

Die Dicke einer Solarzelle hängt von ihrer Fähigkeit ab, Sonnenstrahlung zu absorbieren. Halbleitermaterialien wie Silizium, Galliumarsenid usw. werden verwendet, weil sie beginnen, Sonnenstrahlung mit ausreichend langer Wellenlänge zu absorbieren und einen erheblichen Teil davon in Strom umwandeln können. Die Absorption der Sonnenstrahlung durch verschiedene Halbleitermaterialien erreicht ihren größten Wert, wenn die Plattendicke 100 bis 1 µm oder weniger beträgt.

Durch die Reduzierung der Dicke der Solarzelle können der Materialverbrauch und die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden.

Unterschiede im Absorptionsvermögen von Halbleitermaterialien werden durch Unterschiede in ihrer Atomstruktur erklärt.

Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie ist nicht hoch. Für Siliziumelemente nicht mehr als 12...14 %.

Um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern, werden auf der Vorderseite der Solarzelle Antireflexbeschichtungen aufgebracht. Dadurch erhöht sich der Anteil der durchgelassenen Sonnenstrahlung. Unbeschichtete Elemente weisen Reflexionsverluste von bis zu 30 % auf.

In jüngster Zeit werden eine Reihe neuer Materialien für die Herstellung von Solarzellen verwendet. Eines davon ist amorphes Silizium, das im Gegensatz zu kristallinem Silizium keine regelmäßige Struktur aufweist. Bei einer amorphen Struktur ist die Wahrscheinlichkeit der Photonenabsorption und des Übergangs in das Leitungsband höher. Daher verfügt es über ein großes Absorptionsvermögen. Auch Galliumarsenid (GaAs) findet Verwendung. Der theoretische Wirkungsgrad von GaAs-basierten Zellen kann 25 % erreichen, reale Zellen haben einen Wirkungsgrad von etwa 16 %.

Die Technologie der Dünnschichtsolarzellen wird entwickelt. Obwohl der Wirkungsgrad dieser Elemente unter Laborbedingungen 16 % nicht überschreitet, sind sie kostengünstiger. Dies ist besonders wertvoll für die Reduzierung von Kosten und Materialverbrauch in der Massenproduktion. In den USA und Japan werden Dünnschichtelemente auf amorphem Silizium mit einer Fläche von 0,1 ... 0,4 m 2 und einem Wirkungsgrad von 8 ... 9 % hergestellt. Die gebräuchlichsten Dünnschichtsolarzellen sind Cadmiumsulfid (CdS)-Zellen mit einem Wirkungsgrad von 10 %.

Ein weiterer Fortschritt in der Dünnschichtsolarzellentechnologie war die Herstellung von Mehrschichtzellen. Sie ermöglichen die Abdeckung eines großen Teils des Spektrums der Sonnenstrahlung.

Das aktive Material einer Solarzelle ist recht teuer. Zur effizienteren Nutzung wird die Sonnenstrahlung mithilfe konzentrierender Systeme auf der Oberfläche einer Solarzelle gesammelt (Abb. 2.7).

Bei einer Erhöhung des Strahlungsflusses verschlechtern sich die Eigenschaften des Elements nicht, wenn seine Temperatur durch aktive oder passive Kühlung auf dem Niveau der Umgebungslufttemperatur gehalten wird.

Es gibt eine große Anzahl konzentrierender Systeme, die auf Linsen (meist flache Fresnel-Linsen), Spiegeln, Totalreflexionsprismen usw. basieren. Bei stark ungleichmäßiger Einstrahlung von Fotozellen oder Modulen kann es zur Zerstörung der Solarzelle kommen.

Der Einsatz konzentrierender Systeme senkt die Kosten von Solarkraftwerken, da konzentrierende Zellen günstiger sind als Solarzellen.

Mit dem Verfall der Solarzellenpreise ergab sich die Möglichkeit, großflächige Photovoltaikanlagen zu bauen. Bis 1984 wurden in den USA, Italien, Japan, Saudi-Arabien und Deutschland 14 relativ große Solarkraftwerke mit einer Leistung von 200 kW bis 7 MW gebaut.

Eine Photovoltaik-Solaranlage bietet eine Reihe von Vorteilen. Es nutzt eine saubere und unerschöpfliche Energiequelle, hat keine beweglichen Teile und erfordert daher keine ständige Überwachung durch Wartungspersonal. Solarzellen können in Massenproduktion hergestellt werden, was ihre Kosten senkt.

Solarmodule werden aus Solarmodulen zusammengesetzt. Allerdings gibt es eine große Auswahl an Typen und Größen dieser Geräte mit der gleichen Energieumwandlungseffizienz und der gleichen Herstellungstechnologie.

Da die Bereitstellung von Solarenergie periodisch erfolgt, ist es am sinnvollsten, Photovoltaikanlagen in Hybridkraftwerke einzubinden, die sowohl Solarenergie als auch Erdgas nutzen. An diesen Stationen kann eine neue Generation von Gasturbinen zum Einsatz kommen. Hybrid-Kleinkraftwerke, bestehend aus Photovoltaik-Panels und Dieselgeneratoren, sind bereits zuverlässige Energielieferanten.

Solarenergie- die Richtung der nichttraditionellen Energie, basierend auf der direkten Nutzung der Sonnenstrahlung zur Energiegewinnung in jeglicher Form. Solarenergie nutzt eine unerschöpfliche Energiequelle und ist umweltfreundlich, das heißt, sie erzeugt keinen schädlichen Abfall. Die Energieerzeugung mittels Solarkraftwerken steht im Einklang mit dem Konzept der dezentralen Energieerzeugung.

Photovoltaik- eine Methode zur Erzeugung elektrischer Energie durch die Verwendung lichtempfindlicher Elemente zur Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität.

Solarthermie- eine der Möglichkeiten der praktischen Nutzung einer erneuerbaren Energiequelle - Solarenergie, die zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme von Wasser oder einem niedrigsiedenden flüssigen Wärmeträger verwendet wird. Solarthermie wird sowohl zur industriellen Stromerzeugung als auch zur Warmwasserbereitung für den Hausgebrauch genutzt.

Solarbatterie- allgemeiner Begriff, der in der Umgangssprache oder in der nichtwissenschaftlichen Presse verwendet wird. Normalerweise bezieht sich der Begriff „Solarbatterie“ oder „Solarpanel“ auf mehrere kombinierte Photovoltaik-Wandler (Fotozellen) – Halbleiterbauelemente, die Sonnenenergie direkt in elektrischen Gleichstrom umwandeln.

Unter „Photovoltaik“ versteht man den normalen Betriebsmodus einer Fotodiode, bei dem der elektrische Strom allein durch die umgewandelte Lichtenergie erzeugt wird. Tatsächlich handelt es sich bei allen Photovoltaikgeräten um Varianten von Fotodioden.

Photoelektrische Wandler (PVC)

Bei Photovoltaikanlagen erfolgt die Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie in Photovoltaik-Wandlern (PVCs). Je nach Material, Design und Herstellungsverfahren unterscheidet man üblicherweise drei Generationen von Solarzellen:

FEP der ersten Generation auf Basis kristalliner Siliziumwafer;

Solarzellen der zweiten Generation auf Basis dünner Schichten;

FEP der dritten Generation auf Basis organischer und anorganischer Materialien.

Um die Effizienz der Solarenergieumwandlung zu steigern, werden Solarzellen auf Basis von Kaskaden-Mehrschichtstrukturen entwickelt.

FEP der ersten Generation

Am weitesten verbreitet sind derzeit Solarzellen der ersten Generation auf Basis kristalliner Wafer. In den letzten zwei Jahren ist es den Herstellern gelungen, die Produktionskosten solcher Solarzellen zu senken und so ihre Position auf dem Weltmarkt zu stärken.

Arten von Solarzellen der ersten Generation:

monokristallines Silizium (mc-Si),

polykristallines Silizium (m-Si),

basierend auf GaAs,

Ribbon-Technologien (EFG, S-Web),

Dünnschicht-Polysilizium (Apex).

FEP der zweiten Generation

Die Produktionstechnologie von Dünnschichtsolarzellen der zweiten Generation beinhaltet die Abscheidung von Schichten im Vakuumverfahren. Die Vakuumtechnologie ist im Vergleich zur Technologie zur Herstellung kristalliner Solarzellen weniger energieintensiv und zeichnet sich auch durch einen geringeren Kapitalaufwand aus. Es ermöglicht die Herstellung flexibler, kostengünstiger und großflächiger PV-Zellen, allerdings ist der Umwandlungsfaktor solcher Elemente im Vergleich zu PV-Zellen der ersten Generation geringer.

Arten von Solarzellen der zweiten Generation:

amorphes Silizium (a-Si),

Mikro- und Nanosilizium (μc-Si/nc-Si),

Silizium auf Glas (CSG),

Cadmiumtellurid (CdTe),

(Di)kupfer-(indium-)galliumselenid (CI(G)S).

FEP der dritten Generation

Die Idee bei der Entwicklung einer Solarzelle der dritten Generation bestand darin, die Kosten von Solarzellen weiter zu senken und auf die Verwendung teurer und giftiger Materialien zugunsten billiger und recycelbarer Polymere und Elektrolyte zu verzichten. Ein wichtiger Unterschied besteht auch in der Möglichkeit, Schichten durch Druckverfahren aufzutragen.

Derzeit befinden sich die meisten Projekte im Bereich Solarzellen der dritten Generation im Forschungsstadium.

Arten von Solarzellen der dritten Generation:

Photosensibilisierter Farbstoff (DSC),

organisch (OPV),

anorganisch (CTZSS).

Installation und Verwendung

Solarzellen werden zu Modulen zusammengebaut, die standardisierte Einbaumaße, elektrische Parameter und Zuverlässigkeitsindikatoren aufweisen. Zur Installation und Übertragung von Strom werden Solarmodule mit Wechselrichtern, Batterien und anderen Elementen der elektrischen und mechanischen Teilsysteme ausgestattet.

Je nach Einsatzgebiet werden folgende Installationsarten von Solaranlagen unterschieden:

private Stationen mit geringer Leistung, die auf den Dächern von Häusern platziert sind;

kommerzielle Kraftwerke kleiner und mittlerer Leistung, die sich sowohl auf Dächern als auch auf dem Boden befinden;

Industrielle Solarstationen, die viele Verbraucher mit Energie versorgen.

Maximale Effizienzwerte von Fotozellen und Modulen unter Laborbedingungen erreicht

Faktoren, die die Effizienz von Solarzellen beeinflussen

Aus der Betriebscharakteristik des Photovoltaikmoduls ist ersichtlich, dass zur Erzielung der größtmöglichen Effizienz die richtige Wahl des Lastwiderstands erforderlich ist. Dazu werden die Photovoltaik-Module nicht direkt an die Last angeschlossen, sondern nutzen einen Photovoltaik-System-Management-Controller, der den optimalen Betrieb der Panels gewährleistet.

Produktion

Sehr oft erzeugen einzelne Fotozellen nicht genügend Strom. Dazu wird eine bestimmte Anzahl von PV-Zellen zu sogenannten Photovoltaik-Solarmodulen zusammengefasst und zwischen den Glasplatten eine Verstärkung angebracht. Diese Montage kann vollständig automatisiert werden.

Vorteile

Öffentliche Verfügbarkeit und Unerschöpflichkeit der Quelle.

Sicherheit für die Umwelt – es besteht zwar die Möglichkeit, dass die flächendeckende Einführung der Sonnenenergie die Albedo (Merkmal der Reflexions-(Streu-)Fähigkeit) der Erdoberfläche verändern und zu einem Klimawandel führen kann (allerdings bei der derzeitigen Höhe des Energieverbrauchs). , das ist äußerst unwahrscheinlich).

Mängel

Je nach Wetter und Tageszeit.

Der Bedarf an Energiespeicherung.

In der industriellen Produktion besteht die Notwendigkeit, Solarkraftwerke mit wendigen Kraftwerken vergleichbarer Leistung zu duplizieren.

Die hohen Baukosten sind mit der Verwendung seltener Elemente (z. B. Indium und Tellur) verbunden.

Die Notwendigkeit einer regelmäßigen Reinigung der reflektierenden Oberfläche von Staub.

Erwärmung der Atmosphäre über dem Kraftwerk.

Die Umwandlungseffizienz hängt von den elektrischen Eigenschaften der inhomogenen Halbleiterstruktur sowie den optischen Eigenschaften der Solarzelle ab, wobei die Photoleitung die wichtigste Rolle spielt. Dies ist auf das Phänomen des internen photoelektrischen Effekts in Halbleitern zurückzuführen, wenn diese mit Sonnenlicht bestrahlt werden.

Die wichtigsten irreversiblen Energieverluste in Solarzellen sind verbunden mit:

Reflexion der Sonnenstrahlung von der Oberfläche des Wandlers,

der Durchgang eines Teils der Strahlung durch die Solarzelle ohne Absorption in dieser,

Streuung überschüssiger Photonenenergie an thermischen Schwingungen des Gitters,

Rekombination der gebildeten Photopaare auf den Oberflächen und im Volumen der Solarzelle,

Innenwiderstand des Wandlers usw.

Aus energetischer Sicht sind die energieeffizientesten Geräte zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie (da es sich um eine direkte, einstufige Energiewende handelt) Halbleiter-Photoelektrische-Wandler (PVC). Bei einer für Solarzellen charakteristischen Gleichgewichtstemperatur in der Größenordnung von 300–350 Kelvin und einer Sonnentemperatur von ~ 6000 K beträgt ihr theoretischer Grenzwirkungsgrad > 90 %. Dies bedeutet, dass es durch die Optimierung des Aufbaus und der Parameter des Konverters mit dem Ziel, irreversible Energieverluste zu reduzieren, durchaus möglich ist, den praktischen Wirkungsgrad auf 50 % und mehr zu steigern (in Laboratorien wurde bereits ein Wirkungsgrad von 40 % erreicht). erreicht).

Die Energieumwandlung in einer Solarzelle basiert auf dem photovoltaischen Effekt, der in inhomogenen Halbleiterstrukturen auftritt, wenn sie der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden. Die Heterogenität der Solarzellenstruktur kann durch Dotieren desselben Halbleiters mit verschiedenen Verunreinigungen (Erzeugung von p-n-Übergängen) erreicht werden ) oder durch Kombination verschiedener Halbleiter mit ungleicher Bandlücke – der Energie der Ablösung eines Elektrons von einem Atom (Erzeugung von Heteroübergängen) oder durch eine Änderung der chemischen Zusammensetzung des Halbleiters, die zum Auftreten eines Bandlückengradienten führt ( Schaffung abgestufter Lückenstrukturen). Auch verschiedene Kombinationen dieser Methoden sind möglich. Die Umwandlungseffizienz hängt von den elektrischen Eigenschaften der inhomogenen Halbleiterstruktur sowie den optischen Eigenschaften von Solarzellen ab, wobei die Photoleitfähigkeit aufgrund der Phänomene des internen photoelektrischen Effekts in Halbleitern bei der Bestrahlung die wichtigste Rolle spielt mit Sonnenlicht. Das Funktionsprinzip der Solarzelle lässt sich am Beispiel von Konvertern mit pn-Übergang erklären, die in der modernen Solar- und Weltraumenergie weit verbreitet sind. Ein Elektron-Loch-Übergang wird erzeugt, indem eine Platte aus einem einkristallinen Halbleitermaterial mit einem bestimmten Leitfähigkeitstyp (d. h. entweder p- oder n-Typ) mit einer Verunreinigung dotiert wird, die für die Bildung einer Oberflächenschicht des entgegengesetzten Typs sorgt der Leitfähigkeit. Die Dotierstoffkonzentration in dieser Schicht muss deutlich höher sein als die Dotierstoffkonzentration im Grundmaterial (ursprünglicher Einkristall), um die dort vorhandenen freien Hauptladungsträger zu neutralisieren und eine Leitfähigkeit mit umgekehrtem Vorzeichen zu erzeugen. An der Grenze der n- und p-Schicht bilden sich durch Ladungsverlust verarmte Zonen mit einer unkompensierten positiven Volumenladung in der n-Schicht und einer negativen Volumenladung in der p-Schicht. Diese Zonen bilden zusammen einen pn-Übergang. Die an der Verbindungsstelle entstandene Potentialbarriere (Kontaktpotentialdifferenz) verhindert den Durchgang der Hauptladungsträger, d.h. Elektronen von der Seite der p-Schicht, aber kleinere Ladungsträger passieren ungehindert in entgegengesetzte Richtungen. Diese Eigenschaft von pn-Übergängen bestimmt die Möglichkeit, bei der Bestrahlung von Solarzellen mit Sonnenlicht eine Photo-EMK zu erhalten. Die durch Licht in beiden Schichten der Solarzelle erzeugten Nichtgleichgewichtsladungsträger (Elektron-Loch-Paare) werden am pn-Übergang getrennt: Nebenladungsträger (d. h. Elektronen) passieren den Übergang frei, während die Hauptladungsträger (Löcher) verzögert werden . Somit fließt unter der Einwirkung der Sonnenstrahlung ein Strom aus nicht im Gleichgewicht befindlichen Minoritätsladungsträgern, Photoelektronen und Photolöchern, in beide Richtungen durch den pn-Übergang, was genau das ist, was für den Betrieb der Solarzelle erforderlich ist. Wenn wir nun den äußeren Stromkreis schließen, kehren die Elektronen aus der n-Schicht, nachdem sie an der Last Arbeit geleistet haben, zur p-Schicht zurück und rekombinieren (vereinigen) sich dort mit Löchern, die sich im Inneren der Solarzelle in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Um Elektronen zu sammeln und an einen externen Stromkreis abzuführen, befindet sich auf der Oberfläche der FEP-Halbleiterstruktur ein Kontaktsystem. Auf der vorderen, beleuchteten Oberfläche des Konverters sind die Kontakte gitter- oder kammförmig ausgeführt, auf der Rückseite können sie massiv sein. Die wichtigsten irreversiblen Energieverluste in Solarzellen sind verbunden mit:

Ø Reflexion der Sonnenstrahlung von der Oberfläche des Wandlers,
Ø der Durchgang eines Teils der Strahlung durch die Solarzelle ohne Absorption darin,
Streuung überschüssiger Photonenenergie an thermischen Schwingungen des Gitters,
Ш Rekombination der resultierenden Photopaare auf den Oberflächen und im Volumen der Solarzelle,
W Innenwiderstand des Wandlers,
Ш und einige andere physikalische Prozesse.

Um alle Arten von Energieverlusten in Solarzellen zu reduzieren, werden verschiedene Maßnahmen entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Diese beinhalten:

ь Einsatz von Halbleitern mit optimaler Bandlücke für Sonnenstrahlung;

ü gezielte Verbesserung der Eigenschaften der Halbleiterstruktur durch deren optimale Dotierung und die Erzeugung eingebauter elektrischer Felder;

l Übergang von homogenen zu heterogenen Halbleiterstrukturen mit abgestufter Lücke;

ü Optimierung der Designparameter der Solarzelle (p-n-Übergangstiefe, Basisschichtdicke, Kontaktgitterfrequenz usw.);

ü Anwendung multifunktionaler optischer Beschichtungen, die für Antireflexion, thermische Kontrolle und Schutz von Solarzellen vor kosmischer Strahlung sorgen;

l Entwicklung von Solarzellen, die im langwelligen Bereich des Sonnenspektrums über den Rand des Hauptabsorptionsbandes hinaus transparent sind;

- die Schaffung von Kaskadensolarzellen aus speziell nach der Breite der Bandlücke ausgewählten Halbleitern, die es ermöglichen, in jeder Kaskade die Strahlung umzuwandeln, die die vorherige Kaskade usw. durchlaufen hat;

Außerdem wurde eine deutliche Steigerung der Effizienz von Solarzellen durch die Schaffung von Konvertern mit beidseitiger Empfindlichkeit (bis zu + 80 % der vorhandenen Effizienz einer Seite), die Verwendung von lumineszierenden reemittierenden Strukturen und die vorläufige Zersetzung der Solarzellen erreicht Spektrum in zwei oder mehr Spektralbereiche mithilfe von mehrschichtigen Filmstrahlteilern (dichroitischen Spiegeln) mit anschließender Transformation jedes Teils des Spektrums durch eine separate Solarzelle usw.5

· hohe Zuverlässigkeit bei langer Lebensdauer (mehrere Jahre!)
Verfügbarkeit von Rohstoffen in ausreichenden Mengen für die Herstellung von Elementen des Umwandlungssystems und die Möglichkeit, deren Massenproduktion zu organisieren;
· Aus Sicht der Amortisationszeit akzeptabel, Energiekosten für die Schaffung eines Transformationssystems;
· minimale Energie- und Massenkosten im Zusammenhang mit der Steuerung des Energieumwandlungs- und -übertragungssystems (Weltraum), einschließlich der Ausrichtung und Stabilisierung der gesamten Station;
einfache Wartung.

Aufgrund der höheren Absorption der Sonnenstrahlung, die durch direkte optische Übergänge in GaAs bestimmt wird, kann eine hohe Effizienz der darauf basierenden Solarzellen bei einer viel geringeren Dicke der Solarzellen im Vergleich zu Silizium erzielt werden. Grundsätzlich reicht eine HFP-Dicke von 5–6 µm aus, um einen Wirkungsgrad von mindestens 20 % zu erreichen, während die Dicke von Siliziumelementen nicht weniger als 50–100 µm betragen darf, ohne dass der Wirkungsgrad spürbar abnimmt. Dieser Umstand ermöglicht es, mit der Schaffung von Leichtfilm-HFPs zu rechnen, für deren Herstellung eine relativ geringe Menge an Ausgangsmaterial erforderlich ist, insbesondere wenn nicht GaAs, sondern ein anderes Material, beispielsweise synthetisches, als Substrat verwendet werden kann Saphir (Al 2 O 3).

HFPs weisen im Vergleich zu Silizium-PVCs auch günstigere Leistungsmerkmale hinsichtlich der Anforderungen an SES-Konverter auf. Insbesondere die Möglichkeit, aufgrund der großen Bandlücke kleine Anfangswerte der umgekehrten Sättigungsströme in pn-Übergängen zu erreichen, ermöglicht es, die Größe negativer Temperaturgradienten des Wirkungsgrades und der optimalen Leistung des HFP zu minimieren und darüber hinaus den Bereich der linearen Abhängigkeit dieser von der Lichtstromdichte deutlich erweitern. Die experimentellen Temperaturabhängigkeiten der HFP-Effizienz deuten darauf hin, dass eine Erhöhung der Gleichgewichtstemperatur der letzteren auf 150–180 °C nicht zu einer signifikanten Verringerung ihrer Effizienz und optimalen spezifischen Leistung führt. Gleichzeitig ist für Silizium-Solarzellen der Temperaturanstieg über 60-70 °C nahezu kritisch – der Wirkungsgrad sinkt um die Hälfte.

Außerdem sind HFPs auf GaAs-Basis in viel geringerem Maße als Silizium-PVCs anfällig für Zerstörung durch hochenergetische Protonen- und Elektronenströme, da GaAs ein hohes Maß an Lichtabsorption aufweist und nur eine geringe Lebensdauer und Diffusionslänge erfordert Minderheitstransportunternehmen. Darüber hinaus haben Experimente gezeigt, dass ein erheblicher Teil der Strahlungsdefekte in GaAs-basierten HFPs nach ihrer Wärmebehandlung (Glühen) bei einer Temperatur von knapp 150–180 °C verschwindet. Wenn GaAs-HFPs ständig bei einer Temperatur von etwa 150 °C betrieben werden, ist der Grad der Strahlungsverschlechterung ihrer Effizienz während der gesamten aktiven Betriebszeit der Stationen relativ gering (dies gilt insbesondere für Weltraum-Solarkraftwerke, für die Licht erforderlich ist). Gewicht und Größe der Solarzellen sowie ein hoher Wirkungsgrad sind wichtig).

Im Gegensatz zu Silizium ist Gallium ein sehr knappes Material, was die Möglichkeit einschränkt, HFPs auf GaAs-Basis in den für eine breite Anwendung erforderlichen Mengen herzustellen.

In Raumfahrzeugen, wo die Hauptstromquelle Sonnenkollektoren sind und verständliche Verhältnisse von Masse, Größe und Effizienz sehr wichtig sind, das Hauptmaterial für Solarzellen. Batterie ist natürlich Galliumarsenid. Die Fähigkeit dieser Verbindung in Solarzellen, bei Erwärmung durch 3- bis 5-fach konzentrierte Sonnenstrahlung nicht an Effizienz zu verlieren, ist für Weltraum-Solarkraftwerke sehr wichtig, wodurch der Bedarf an Galliummangel verringert wird. Eine zusätzliche Reserve zur Einsparung von Gallium ist mit der Verwendung von synthetischem Saphir (Al 2 O 3) anstelle von GaAs als HFP-Substrat verbunden. Energie-SES auf Basis von GaAs-HFP kann den Kosten eines Systems auf Siliziumbasis durchaus entsprechen. Daher ist es derzeit schwierig, einem der beiden betrachteten Halbleitermaterialien – Silizium oder Galliumarsenid – den Vorzug zu geben, und erst die Weiterentwicklung ihrer Produktionstechnologie wird zeigen, welche Option für die Boden- und Weltraum-Solarenergietechnik sinnvoller ist. Sofern SBs Gleichstrom erzeugen, stellt sich die Aufgabe, diesen in eine Industriegröße von 50 Hz, 220 V umzuwandeln. Eine spezielle Geräteklasse, die Wechselrichter, leistet bei dieser Aufgabe hervorragende Arbeit.

Die effiziente Umwandlung freier Sonnenstrahlen in Energie, die zur Stromversorgung von Wohnhäusern und anderen Einrichtungen genutzt werden kann, ist der gehegte Traum vieler Befürworter grüner Energie.

Das Funktionsprinzip der Solarbatterie und ihr Wirkungsgrad sind jedoch so, dass man noch nicht von einem hohen Wirkungsgrad solcher Systeme sprechen kann. Es wäre schön, eine eigene zusätzliche Stromquelle zu haben. Nicht wahr? Darüber hinaus wird in Russland bereits heute mit Hilfe von Sonnenkollektoren eine beträchtliche Anzahl privater Haushalte erfolgreich mit „kostenlosem“ Strom versorgt. Sind Sie immer noch nicht sicher, wo Sie anfangen sollen?

Im Folgenden informieren wir Sie über das Gerät und die Funktionsweise des Solarpanels, Sie erfahren, wovon die Effizienz der Solaranlage abhängt. Und die im Artikel veröffentlichten Videos helfen Ihnen dabei, mit Ihren eigenen Händen ein Solarpanel aus Fotozellen zusammenzubauen.

Beim Thema „Solarenergie“ gibt es viele Nuancen und Verwirrungen. Für Anfänger ist es oft zunächst schwierig, alle unbekannten Begriffe zu verstehen. Aber ohne dies ist es unvernünftig, sich mit Solarenergie zu beschäftigen und Geräte zur Erzeugung von „Solarstrom“ zu erwerben.

Aus Unwissenheit kann man nicht nur das falsche Panel wählen, sondern es im angeschlossenen Zustand einfach verbrennen oder ihm zu wenig Energie entziehen.

Bildergalerie

Der maximale Ertrag aus dem Solarpanel kann nur dann erzielt werden, wenn man weiß, wie es funktioniert, aus welchen Komponenten und Baugruppen es besteht und wie alles richtig angeschlossen wird.

Die zweite Nuance ist das Konzept des Begriffs „Solarbatterie“. Normalerweise bezieht sich das Wort „Batterie“ auf ein Gerät, das Strom speichert. Oder es fällt einem ein banaler Heizkörper ein. Bei Solarbatterien ist die Situation jedoch völlig anders. Sie sammeln nichts an.