Обзорный анализ основных видов солнечных элементов и выявление путей повышения эффективности их работы и применения

В связи с увеличивающимися темпами роста научно-технического прогресса в мире возрастает потребность в обеспечении энергией. Это приобретает особую актуальность, поскольку традиционные источники энергии в виде углеводородных запасов ограничены, более того, при их сжигании для выработки энергии наносится вред экологии из-за загрязнения окружающей среды. Использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) является перспективным решением проблемы энергообеспечения. К числу НВИЭ относится солнечная энергия, ветряная энергия, энергия биогазов и биомасс, геотермальная энергия. Подобные виды энергии являются экологически чистыми и безвредными.

К настоящему времени в мире проведено множество исследований в области использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Благодаря созданию различных конструкций солнечных элементов (СЭ) солнечное излучение с помощью фотоэлектрических элементов преобразуется в электрическую энергию. Соединение нескольких фотоэлектрических элементов вместе образует фотоэлектрический модуль (ФЭМ) или солнечные панели (СП). Для получения большой мощности несколько ФЭМ соединяется в фотоэлектрические батареи [7].

В течение ряда лет разработано множество конструкций СЭ, которые описываются по следующим параметрам: эффективность (КПД), ff (фактор заполнения) и вольт-амперные характеристики (ВАХ) – Uoc (напряжения холостого хода), Isc (ток короткого замыкания), Jsc (плотность тока короткого замыкания). Эффективность (КПД) СЭ показывает процент преобразования солнечного излучения в электричество. Фактор заполнения показывает, какая часть мощности, вырабатываемой солнечным элементом, используется в нагрузке. Uoc (напряжения холостого хода) – это максимальное напряжение, возникающее на разомкнутых выводах солнечного элемента, измерение в В и мВ. Isc (ток короткого замыкания) – это максимальный ток, протекающий через выводы СЭ при их коротком замыкании, измерение в мА. Jsc (плотность тока короткого замыкания) определяется отношением Isc-тока короткого замыкания к S-площади СЭ. Фактор заполнения ff показывает, какая часть мощности, вырабатываемой СЭ, используется в нагрузке[4].

В солнечных элементах (СЭ) применяются полупроводниковые материалы на кремниевой основе. Химическое обозначение кремния – Si, на земле широко распространен в виде песка, который является диоксидом кремния SiO2. Благодаря физико-химическим свойствам кремний нашел большое применение также в промышленной и бытовой электронике.

В течение ряда лет разработано множество типов солнечных элементов на основе кремния. В настоящее время широко используются следующие типы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), изготовленных из различных полупроводниковых материалов.

ФЭП из поликристаллических фотоэлектрических элементов (рис.1) наиболее распространены ввиду оптимального соотношения цены и КПД среди всех разновидностей панелей, КПД которых составляет 12-14%. Такие панели имеют синий цвет и кристаллическую структуру.

Рисунок 1. Поликристаллический ФЭП

ФЭП из монокристаллических фотоэлектрических элементов (рис.2) более эффективны, а по цене более дорогие в пересчете на ватт мощности. КПД таких панелей составляет 14-16%.

Рисунок 2. Монокристаллический ФЭП

В связи с тем, что монокристаллические элементы имеют форму многоугольников, всю площадь трудно рационально использовать. Из-за этого удельная мощность солнечной батареи оказывается несколько ниже, чем удельная мощность отдельного ее элемента.

ФЭП из аморфного кремния (рис.3) имеют низкий КПД, в пределах 6-8%. Несмотря на это, среди всех кремниевых технологий фотоэлектрических преобразователей такие солнечные батареи вырабатывают самую дешевую электроэнергию.

Рисунок 3. ФЭП на основе аморфного кремния

ФЭП из теллурида кадмия (CdTe) (рис.4), которые изготавливаются по тонкопленочной технологии. Полупроводниковый слой наносят тонким слоем в несколько сотен микрометров. Эффективность элементов из CdTe невысокая, КПД около 11%. По сравнению с кремниевыми панелями стоимость ватта мощности получается на несколько десятков процентов дешевле.

Рисунок 4. ФЭП на основе теллурида кадмия

ФЭП на основе CIGS. (рис.5.) CIGS – это полупроводник, состоящий из меди, индия, галлия и селена. Такие солнечные батареи тоже выполнены по пленочной технологии. По сравнению с панелями из теллурида кадмия обладают более высокой эффективностью, КПД доходит до 15%.

Рисунок 5. ФЭП на основе CIGS

Рассмотренные выше фотоэлектрические панели проходили испытания при стандартных условиях тестирования (Standard Test Conditions) STC, при интенсивности солнечного излучения 1000 Вт/кв. м и рабочей температуре панели 25° C в лабораторных условиях. В реальных условиях работы параметры ФЭП будут отличаться от тестовых. Большинство производителей ФЭБ указывают параметры батарей в условиях (Normal Operating Cell Temperature) NOCT, при температуре работы модуля 40-45 градусов и освещенности 800 Вт/м². В реальных условиях работы солнечной батареи освещенность может быть и выше 1000 Вт/м², а температура ниже 45° С. Кроме вышеуказанных условий стандартного тестирования панелей также применяются PV-USA Test Conditions (PTC), Standard Test Conditions (STC), Low Irradiance Conditions (LIC), High Temperature Conditions (HTC) and Low Temperature Conditions (LTC) [2; 6]. Данные условия тестирования не отражают действительную мощность, производительность и эффективность фотоэлектрических батарей. Реальные условия эксплуатации ФЭП в различных регионах разнятся, например, в европейских странах температура не такая высокая, как в регионах Азии. В частности, в климатических условиях Узбекистана преобладают преимущественно сухие и жаркие погодные условия. С ростом рабочей температуры каждый тип солнечной панели ведет себя по-разному. Так, у кремниевых элементов номинальная мощность падает с каждым градусом превышения номинальной температуры на 0,43-0,47%, солнечные элементы из теллурида кадмия теряют всего 0,25% [5].

Для решения вопроса перегрева солнечных панелей в течение ряда лет были разработаны комбинированные конструкции для воздушного, водяного охлаждения, отвода тепла из панелей, с принудительным охлаждением, комбинированные конструкции [3; 8]. В связи с массовым освоением технологии производства в промышленном масштабе широко используются кристаллические кремниевые ФЭП. Разработаны также многослойные, многопереходные, каскадные, тонкопленочные конструкции солнечных элементов с применением новых материалов и технологий производства. К примеру, тонкопленочные солнечные панели на основе аморфного кремния лучше работают при повышении температуры, гибкие для создания солнечных модулей, однако КПД в 2 раза ниже (6-8%), чем у кристаллических.

В мировой энергетике долю использования ВИЭ планируется увеличивать с каждым годом. В частности, в рамках стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Узбекистана в 2017-2021 гг. Всемирный банк поддерживает усилия правительства, направленные на увеличение доли возобновляемой энергии (ВЭ) в структуре энергетики страны с 12,7% в 2016 г. до 19,7% к 2025 г. [1]. Практическое применение всех разработок последних лет нужно оценивать с точки зрения стоимости конструкции, технологии производства, условий эксплуатации, параметров эффективности, характеристики производительности, а также по ряду подобных показателей. Целесообразно будет проведение натурных испытаний каждого типа ФЭП в реальных условиях эксплуатации и поиск рекомендуемых для них параметров использования. Для увеличения доли использования солнечных панелей в энергетической отрасли требуется решение многопараметрической задачи и проведение исследований по оптимизации конструкций.