«

»

Окт 02

Cолнечные батареи и модули

Преобразование солнечной энергии в электричество может осуществляться двумя способами: фотоэлектрическим и фототермическим. Мы рассмотрим фотоэлектрический метод, на котором основывается действие солнечных батарей.

Cолнечные батареи и модули
Солнечный элемент представляет собой фотоэлектрический генератор, работа которого основана на физических свойствах полупроводниковых материалов. В них из внешней оболочки атомов фотонами света выбиваются электроны, которые при образовании замкнутой цепи движутся в определенном направлении, образуя электрический ток.

Cолнечные батареи и модули

Основным компонентом фотоэлектрических систем являются солнечные модули и солнечные батареи, состоящие из солнечных модулей. Спаянные между собой солнечные элементы составляют солнечный модуль, представляющий собой монолитную панель из закаленного стекла особой текстуры, на которой между двумя слоями герметизирующей пленки из этилвинилацетата (ЭВА) размещены солнечные элементы. Как правило – это 36, 60 или 72 элемента.

Cолнечные батареи и модули

Герметизирующая пленка имеет такой же коэффициент преломления, что и стекло, следствием чего является отсутствие отражения светового потока на границе их соприкосновения. Технология вакуумной ламинации, позволяет уменьшить потери на отражение и поглощение с прежних 20-30% при наличии воздушной прослойки между защитным стеклом и фотоэлементами, до 12% — без нее. Специальная текстура стекла позволяет свести к минимуму потери световой энергии и, соответственно, получить больше мощности с единицы площади модуля (в среднем, на 15%). Солнечный модуль, имеющий с тыльной стороны защитное пленочное покрытие из полиэтилентерефталата (ПЭТ) размещается в герметизированном каркасе из анодированного алюминия. К каркасу с обратной стороны прикреплена клеммная коробка с электрическими контактами для подключения.

Cолнечные батареи и модули

1 — Герметик

2 — Стекло

3 — Герметизирующая пленка ЭВА

4 — Фотоэлементы

5 — Защитная пленка ПЭТ

6 — Алюминиевый каркас

Cолнечные батареи и модули

Для выработки требуемых количеств электроэнергии солнечные модули объединяют в блоки (солнечные батареи), позволяющие в зависимости от числа модулей создавать фотоэлектрические преобразователи любой мощности.

Cолнечные батареи и модули

Простейшая батарея – это цепочка последовательно соединенных элементов. Соединив эти цепочки параллельно, получают, так называемое, последовательно-параллельное соединение. Важно отметить, что параллельно возможно соединять лишь цепочки с одинаковым напряжением, их токи при этом суммируются (согласно закону Кирхгофа). В солнечных модулях происходит прямое преобразование солнечного света в электрический ток постоянного напряжения, который может либо использоваться различными нагрузками постоянного тока, либо запасаться в аккумуляторах, для использования в наиболее удобное время (например, для покрытия пиковой нагрузки). При наличии нагрузок переменного тока, в фотоэлектрических системах предусматривается преобразователь в переменный ток напряжением 220 В (инвертор). Солнечные модули изготавливаются с различным выходным напряжением. Номинальное напряжение модулей соответствует напряжению аккумуляторных батарей (АБ) за исключением случаев, когда в фотоэлектрической системе используется контроллер МРРТ (Maximum Power Point Tracking). Контроллер МРРТ, работающий по технологии управления максимальными пиками энергии, позволяет заряжать аккумуляторную батарею с более низким (например, 12В) номинальным напряжением, чем номинальное напряжение солнечной батареи (например, 24В, 48В, 60В и т. д.).

Современные технологии изготовления обеспечивают высокую надежность, безопасность и длительный срок службы солнечных модулей (25-30 лет), чему способствует также отсутствие в конструкции движущихся частей. Практика показала, что солнечные модули теряют в мощности около 10% за 10 лет, т.е. через 20 лет, например, солнечный модуль мощностью в 100 Вт будет производить около 80 Вт в час при условии полного освещения. Солнечные батареи не нуждаются в техобслуживании и не требуют замены деталей, что является немаловажным преимуществом в сравнении с другими источниками альтернативной энергии. Тип солнечных модулей и их мощность подбирается в зависимости от предполагаемой области их применения. Областью применения, месторасположением, местными природными условиями, требуемым количеством электроэнергии определяется конструктивное решение и выходная мощность солнечной батареи. Серийно выпускаемые солнечные модули могут иметь различные размеры и мощности. Мощность модулей солнечной батареи варьируется от 10 до 300Вт.

Зависимость между током и напряжением на выводах солнечного модуля определяется вольтамперной характеристикой (ВАХ), при стандартных условиях измерения (мощность солнечной радиации 1000 Вт/м2, температура элементов — 25°С и солнечный спектр на широте 45° (AM 1.5).

Рис.1. Вольтамперная характеристика солнечной батареи

Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холостого хода Uхх, а с осью тока — током короткого замыкания Iк.з. Таким образом видно,что напряжение холостого хода Uхх – это напряжение, при котором ток равен 0, а ток короткого замыкания Iк.з – это ток, при котором напряжение равно 0. В этих точках вольтамперной характеристики мощность солнечного модуля равна 0. Оптимальным значением является точка максимальной мощности (МРР). Именно для точки максимальной мощности определяются КПД солнечного модуля и номинальная мощность. На графике отражена также зависимость мощности, получаемой от солнечных элементов, от нагрузки. Наибольшее значение мощности при стандартных условиях является номинальной мощностью модуля. Величина напряжения, соответствующая максимальной мощности, называется рабочим напряжением Uр,величина тока, соответственно, — рабочим током Iр. Напряжение холостого хода Uхх для солнечного модуля с номинальным напряжением 12 В варьируется в пределах 21,8-22,3В (Uхх отдельно взятого элемента составляет 0,6В), напряжение максимальной мощности около 17В. Произведение максимального тока и напряжения максимальной мощности(рабочего напряжения) дает нам максимальную мощность. Стандартный солнечный модуль из 36 элементов с номинальным напряжением 12 В будет иметь рабочее напряжение равное приблизительно 16-17 В при стандартных условиях, исходя из напряжения 0,45-0,47 В на элемент. С чем связано именно такое количество фотоэлементов в модуле и зачем нужен такой запас по напряжению? Еще лет 20-30 назад стандартный солнечный модуль содержал 33 элемента. Запас напряжения необходим для компенсации уменьшения рабочего напряжения при нагреве модуля. Нагрев фотоэлементов солнечным излучением сопровождается снижением рабочего напряжения каждого фотоэлемента со скоростью 0,002 В на каждый градус свыше 25 градусов С. Т. е., если, к примеру, модуль из 36 элементов нагреется под солнечными лучами до 60 градусов, что на 35 градусов больше 25 градусов С, то снижение рабочего напряжения составит:

36 шт×35° С×0.002 В/°С=2,52 В.

Напряжение максимальной мощности (рабочее напряжение) будет варьироваться на нагретом модуле в пределах 14,5-15,5 В, что делает возможной зарядку аккумулятора 12В, поскольку в любом случае будет выше напряжения полной зарядки аккумулятора равного 14,4В (для температуры 25 градусов). Исходя из вышесказанного, понятно, что солнечные модули с номинальными напряжениями 6В, 24В, 48В состоят, соответственно, из 18, 72 и 144 фотоэлементов. Если напряжения солнечных элементов отличаются от стандартного ряда, то расчет числа последовательно соединенных таких элементов производится индивидуально. Выпускаются фотоэлементы обычно стандартных размеров: 103х103 мм, 125х125 мм, 156х156 мм.

Необходимая мощность солнечной батареи достигается путем варьирования размерами солнечных элементов и их количеством при параллельно-последовательном соединении цепочек солнечных элементов. При конструировании солнечных батарей для использования в космосе применяется параллельно-последовательное соединение очень мелких фотоэлементов, что способствует увеличению надежности такой батареи, так как, подвергаясь в открытом космосе абразивному воздействию осколков метеоритов и космической пыли, а также радиации, такая батарея при разрушении одной из параллельных цепочек будет продолжать функционировать в отличие от батареи с цепочками крупных фотоэлементов. Фотоэлектрические системы мощностью выше 1 кВт обладают довольно неприятной особенностью: при затенении одного солнечного модуля, он выступает в качестве нагрузки, принимая всю мощность освещенных модулей на себя (так называемый, эффект горячего пятна), в результате чего выходит из строя из-за перегрева. Чтобы избежать подобных последствий применяется следующее технологическое решение: с частью каждого из модулей (половиной либо третьей частью) параллельно подсоединяют баррирующие диоды, т.е. диоды, коротящие модуль при его затенении и предотвращающие преждевременный выход его из строя. Баррирующими диодами, размещаемыми в клеммной коробке, комплектуются модули мощностью выше 80 Вт.

КПД солнечного модуля определяется отношением максимальной мощности модуля к общей мощности излучения, падающего на его поверхность при стандартных условиях (мощность солнечной радиации 1000 Вт/м2, температура элементов — 25°С и солнечный спектр на широте 45° (AM 1.5)) и находится в диапазоне 15-40%.

Эффективность работы солнечных модулей можно существенно увеличить, используя контроллер заряда с технологией МРРТ. По сравнению с контроллерами on/off и PWM он дает увеличение эффективности генерации электроэнергии на 25-30%. Согласно вольтамперной характеристике солнечный модуль будет функционировать при любых параметрах тока и напряжения, отраженных на графике. Однако на практике солнечный модуль в данное время работает в одной точке и эта точка определяется в зависимости не от характеристик модуля, а электрических характеристик цепи, к которой данный модуль подключен. Рабочая точка батареи, подключенной к нагрузке в реальных условиях, как правило, не совпадает с точкой максимальной мощности, зависящей от освещенности и температуры окружающей среды. Подключение нагрузок большой мощности способно сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной мощности, при которой нагрузки работать не будут. Контроллер МРРТ автоматически отслеживает точку максимальной мощности и преобразовывает напряжение солнечной батареи в более низкое, но с более высокими значениями силы тока, тем самым повышая производительность солнечной батареи. Установка такого контроллера позволяет уменьшить количество солнечных модулей в системе.

Чтобы получить требуемую мощность и рабочее напряжение солнечные модули соединяются последовательно или параллельно. Мощность полученной таким образом солнечной батареи будет всегда меньше мощности суммы мощностей составляющих ее модулей на величину потерь на, так называемое, рассогласование, т. е потерь, вызванных различием характеристик однотипных модулей. Поэтому важно тщательно подбирать модули в солнечной батарее, чтобы свести к минимуму потери мощности на рассогласование.

Последовательное соединение модулей в солнечную батарею предполагает использование модулей с одинаковым рабочим током, а параллельное – модулей с равным рабочим напряжением.

Солнечные модули могут длительно эксплуатироваться (20-40 лет) без потери эксплуатационных качеств при соблюдении определенных условий:

-диапазон рабочих температур: от минус 50 до плюс 75 градусов С;

-атмосферное давление: 84-106,7 кПа;

-относительная влажность: 100%;

-дождь: 5 мм/мин;

-нагрузка от снега или ветра: до 2000 Па.

В зависимости от области применения солнечные модули могут иметь разные конструктивные решения и разные выходные мощности.

Для индивидуальных проектов, например, для яхт, солнечные батареи разрабатываются и изготавливаются в зависимости от требований заказчика.

Кроме рассмотренных выше каркасных солнечных модулей с рабочей стороной, покрытой стеклом, существуют и бескаркасные модели, отличающиеся покрытием их лицевой стороны прозрачной пленкой ПЭТ. Обратная сторона может быть защищена либо такой же пленкой из полиэтилентерефталата (ПЭТ), либо подложкой из стеклотекстолита. Стеклотекстолит придает бескаркасному модулю необходимую жесткость, тем не менее нужно соблюдать определенную осторожность в обращении с модулями мощностью 40-50 Вт и предохранять их от изгиба. Наилучшим решением будет использование в Вашей солнечной батарее из бескаркасных модулей большего количества маломощных модулей. В некоторых случаях допускается крепление бескаркасных модулей на жестком основании. У бескаркасных модулей отсутствует клеммная коробка и в местах выводов электрических контактов припаивается провод. Бескаркасные модули более компактны и удобны для применения в случаях, когда вес и размеры изделия имеют значение (например, используются туристами).

Cолнечные батареи и модули

Солнечные модули на металле представляют собой конструкцию из монолитного ламината, состоящего из монокристаллических кремниевых элементов, соединенных электрически (спаянных) и размещенных между двумя слоями ламинирующей пленки. С обратной стороны солнечные модули на металле заламинированы на металлическую плиту, а с рабочей (лицевой) стороны защищены прозрачной для солнечного света пленкой ПЭТ.

В последние годы получила распространение инновационная разработка в технологиях производства солнечных модулей – солнечный модуль с двумя рабочими поверхностями, лицевая сторона которых работает на прямых солнечных лучах, а обратная сторона – на отраженных. Подобное решение позволило значительно увеличить эффективность работы солнечных модулей (на 15-20%). Тыльная сторона таких модулей улавливает энергию, отраженную от поверхности снега, воды или земли (светлого песка). Подобные модули уже были с успехом использованы при строительстве солнечной электростанции мощностью 10 кВт в Афинах, а также в других странах: Израиле, Мексике,Испании, Германии, ЮАР и др. В нашей стране фотоэлектрические станции с использованием двусторонних модулей установлены на удаленных ретрансляторах МТС и Билайн, причем модули изготовлены на, пока единственном в России, заводе «Солнечный Ветер», производящим двусторонние модули.

Преимуществом использования модулей с двусторонней чувствительностью является не только уменьшение материалоемкости батареи и стоимости фотоэлектрической системы, но, что особенно важно, прозрачность двусторонних модулей для инфракрасного излучения, и, как следствие, меньшая степень нагрева под солнцем (40-50 градусов в разгар лета против 50-60 градусов у односторонних модулей). Поэтому тепловые потери двусторонних модулей меньше в сравнении с односторонними, что позволяет им вырабатывать больше мощности за счет меньшего нагрева.

Cолнечные батареи и модули

Следует отметить, что в обычных кремниевых элементах, о которых мы говорили выше, инфракрасное излучение не используется. Однако прогресс не стоит на месте. В двуслойных элементах, созданных фирмой «Боинг» в 1989 году и состоящих из двух полупроводников – арсенида галлия и антимонида галлия процесс преобразования солнечного излучения в электрическую энергию протекает несколько иначе: в первом прозрачном слое из арсенида галлия поглощается и преобразуется в электроэнергию видимая часть солнечного спектра, инфракрасная же часть проходит сквозь первый слой и поглощается вторым слоем из антимонида галлия и также преобразуется в электричество. В результате КПД такого двуслойного элемента достигает 37%, что открывает перед солнечной энергетикой далеко идущие перспективы.

Применение в фотоэлектрических системах концентраторов солнечного излучения с кратностью концентрирования солнечной энергии 50-100, использование в качестве полупроводниковых материалов таких гетеросоединений, как арсенид галлия и алюминий, позволяют существенно повысить КПД солнечных установок (с 20 до 35 %), что сопоставимо с эффективностью современных тепловых и атомных станций.

Типы солнечных батарей

На сегодняшний день существует несколько разновидностей солнечных батарей:

1) Маломощные солнечные батареи. Используются для подзарядки мобильных телефонов, КПК и пр. Они оснащены фотомодулями небольшой площади. Основной недостаток – высокая стоимость. Внешне такие батареи похожи на детскую игрушку.

Cолнечные батареи и модули

2) Универсальные солнечные батареи. Используются для получения электроэнергии в полевых условиях. Такие батареи, производимые за рубежом, достаточно высокого качества, имеют современный дизайн,снабжены дополнительными переходниками. Вместе с тем, стоимость у них далеко не запредельная. Что касается универсальных солнечных батарей, изготовляемых в России, то они встречаются как заводского, так и полусерийного производства. Соответственно, и качество и цены на них колеблются в определенных пределах. Поэтому при покупке необходим индивидуальный подход. Особое распространение получили такие солнечные батареи среди туристов.

Cолнечные батареи и модули

3) Солнечные панели или панели солнечных элементов – это, чаще всего, закрепленный на общем основании комплект фотопластин. Используется такой комплект потребителями в качестве заготовки для создания более сложных устройств.

Cолнечные батареи и модули

Cолнечные батареи и модули

Самое большое распространение на территории СНГ получили солнечные батареи трех типов: Электроника МЧ/1, БСК-1 и БСК-2. Имеются в продаже и импортные батареи с похожими характеристиками, в основном производимые Китаем и Кореей.

Сила зарядного тока аккумуляторной батареи при применении солнечных батарей такого типа находится в пределах 35-50 миллиампер. Однако этой величины можно достичь только при очень хорошем освещении. Следовательно, с помощью солнечных батарей такого типа можно подзарядить только батареи с емкостью не более 0,45 Ампер в час. Именно такой ёмкостью обладают чаще всего применяемые аккумуляторные батареи типа ЦНК-0,45.

При работе с солнечными батареями необходимо учесть следующий факт. Даже в самый благоприятный летний период (июнь, июль) световой промежуток для эффективной работы генератора длится не более 8-9 часов. Наибольшая производительность приходится на период от 9 до 17 часов. Во все остальное время сила тока солнечных батарей падает. Понятно, что сила тока солнечных батарей снижается и при облачной погоде. С целью увеличения генерируемого батареями тока устанавливают системы ориентации фотоэлементов на солнце, однако их регулировка с целью получения лучшего освещения достаточно трудоемкий процесс.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>