Байжабагинов А.М., к.т.н. Булатбаев Ф.Н., магистр Булатбаева Ю.Ф.

Карагандинский государственный технический университет

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ВЫБОРА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Невозобновляемые энергетические ресурсы Земли, такие как уголь и нефть, в современном мире истощаются слишком быстро. В результате окружающей среде наносится колоссальный ущерб, и последствия этого, достаточно тяжело исправить. Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра, энергия волн, солнечного света, и геотермальная энергия, во всем мире привлекают все больше внимания. Интерес к ним вызван соображениями экологии, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных ресурсов - с другой.

Солнце является неиссякаемым, безопасным и доступным всем источником энергии. Энергия солнца чистая, легко используемая, дешевая, поступает постоянно в изобилии, не оказывает негативного воздействия на окружающую среду, и может быть использована в качестве автономного источника энергии. За последние 20–30 лет темпы роста солнечной энергетики составляли в среднем примерно 25 %. Согласно прогнозам в XXI веке развитие солнечной энергетики будет оставаться основным среди всех альтернативных источников. По оценкам к 2050 г. солнечная энергия может обеспечить 20–25 % мирового производства энергии, а к концу XXI века солнечная энергетика должна стать доминирующим источником энергии с долей, достигающей 60 %.

Ежегодно на 1 м.кв. поверхности земли в Республике Казахстан приходит от 1400 до 2000 кВтч солнечной энергии. Исходя из этого, имеется возможность широкомасштабного применения солнечного излучения.

Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии называемые еще солнечными элементами и солнечными батареями.

Солнечные элементы собранные в батареи предназначены для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Солнечная батарея вырабатывает постоянный ток, который может быть использован сразу, либо аккумулирован, или преобразован в переменный ток с требуемыми параметрами (например 220 В, 50 Гц).

История развития солнечных элементов. Явление фотоэффекта было впервые замечено еще в 1839 г. А. Беккерелем. В 1883 году Чарльз Фриттс создал первый солнечный модуль. Основой изобретения был покрытый тонким слоем золота селен. КПД – около 1%. Лишь в 30-х годах XX века в физикотехническом институте под руководством академика Иоффе удалось впервые получить электрический ток, используя явление фотоэффекта. Были

созданы первые солнечные сернисто-таллиевые элементы. КПД –1%. В начале 50-х годов XX века американские ученые Пирсон, Фуллер и Чапин изобрели и запатентовали первый кремниевый солнечный элемент с КПД около 6 %. В начале 50/х годов XX века началось широкое практическое применение солнечных элементов. В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник с применением фотогальванических элементов, а в 1958 г. США произвели запуск искусственного спутника Explorer 1 с кремниевыми солнечными панелями.

В 1970 году в СССР Жоресом Алферовым и его соратниками была создана первая высокоэффективная гетероструктурная (с применением галлия и мышьяка) солнечная батарея. К середине 70 годов прошлого века удалось поднять КПД солнечных элементов до 10 процентов. После 20-летнего застоя ученым мира удалось поднять КПД солнечных элементов к середине 90-х годов до 15 процентов, а к началу XXI века уже до 20 %.

Серьезным позитивным сдвигом послужило создание американцами в 90-х годах особых цветосенсибилизированных типов солнечных батарей, более эффективных, чем предыдущие. В 1989 году была создана солнечная батарея, работающая с КПД более 30 %. Но на сегодняшний день основная масса промышленных солнечных батарей имеет КПД не более 7-15%.

Классификация фотоэлектрических преобразователей энергии. Основным материалом для изготовления солнечных элементов в настоящее время является кристаллический кремний. Доля солнечных элементов и модулей, произведенных на основе кристаллического кремния, сейчас превышает 90 %, из которых примерно 2/3 приходится на поликристаллический кремний и 1/3 - на монокристаллический. Столь широкое применение кристаллического кремния обусловлено развитой кремниевой технологией вообще и возможностью изготовления на его основе солнечных элементов наземного использования с наиболее приемлемым отношением эффективность - стоимость. Остальная часть рынка приходится на пленочные элементы на основе других материалов, в том числе более 5 % составляют солнечные элементы на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния [1].

Особенности и преимущества солнечных батарей из кристаллического кремния: высокоэффективные солнечные элементы из монокристаллического и поликристаллического кремния; оптимальное сочетание высококачественного сырья и компонентов; легкий анодированный алюминиевый каркас солнечной панели; высокая надежность даже в экстремальных метеорологических условиях.

Стандартные монокристаллические солнечные модули. В солнечном элементе этого типа используется один слой кремния в качестве полупроводника. Для производства кремния такого типа он должен иметь очень высокую степень чистоты, а значит изготовление солнечных батарей этого типа самое дорогостоящее. Надежность и высокий КПД солнечных батарей монокристаллического типа является их главным достоинством.

Стандартные поликристаллические солнечные модули. Для изготовления элементов из поликристаллического кремния жидкий кремний заливается в блоки, которые затем распиливаются на пластины. При таком способе изготовления солнечных батарей происходит некоторое ухудшение характеристик кристаллов кремния и, как следствие, снижение их КПД. Однако процесс производства элементов этого типа проще и дешевле.

Солнечные элементы на основе тонких пленок аморфного кремния. При тонкопленочной технологии на основе материалов с высоким коэффициентом поглощения, которые применяются в виде поликристаллических пленок, аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si: H) позволяет значительно снизить расход и стоимость используемого материала. Подобная технология является высокоэффективной при использовании таких материалов, менее энергозатратной и дешевой. К недостаткам таких солнечных элементов можно отнести более низкие КПД 6–8 % и стабильность параметров.

Особенности и преимущества тонкопленочных солнечных батарей: более высокая проработанность технологии; генерируют более высокую мощность по сравнению с фотоэлементами из кристаллического кремния; тонкопленочные солнечные батареи имеют превосходную производительность даже при высокой температуре воздуха летом и в условиях облачности; высокая стабильность выходной мощности в течение длительного времени; безвредные для окружающей среды – в них используется лишь 1/600 часть кремния, используемого в элементах из кристаллического кремния, что ведёт к уменьшению потребления энергии и обеспечивает высокую производительность при массовом производстве солнечных батарей; благодаря большой отдаче энергии сокращается время окупаемости солнечной панели.

Основные параметры и характеристики солнечных элементов и модулей. Для описания солнечных элементов применяется набор параметров и характеристик, позволяющий производить сравнительную оценку солнечных элементов различного типа. К специальным характеристикам солнечного элемента относятся вольтамперная (ВАХ) и спектральная. К специальным параметрам солнечного элемента относятся КПД (эффективность), фактор заполнения, напряжение холостого хода, ток короткого замыкания или плотность тока короткого замыкания [2].

Вольтамперная характеристика показывает зависимость выходного тока солнечного элемента от напряжения на его выводах.

Спектральная характеристика (спектральный отклик) представляет собой зависимость величины квантовой эффективности (значения эффективности солнечного элемента при облучении его монохроматическим светом на определенной длине волны) от длины волны падающего излучения.

Эффективность (КПД) солнечных элементов показывает, какую часть (в процентном отношении) солнечной энергии падающего на него света он может превратить в электричество.

Напряжение холостого хода – это максимальное напряжение, возникающее на разомкнутых выводах солнечного элемента при его облучении светом.

Ток короткого замыкания – это максимальный ток, протекающий через выводы солнечного элемента при их коротком замыкании.

Фактор заполнения показывает, какая часть мощности, вырабатываемой солнечным элементом, используется в нагрузке.

Сравнивая эти параметры и характеристики можно определить наиболее приемлемую солнечную батарею с технической и экономической точки зрения.

Выводы. Таким образом ни у кого не вызывает сомнений перспективность использования солнечных модулей и автономных энергоустановок на их основе. Широкое внедрение в жизнь солнечной энергетики связано не с уровнем разработки данной проблемы, а в первую очередь, с экономической целесообразностью и стоимостью энергии, получаемой таким способом.

Литература:

1. Афанасьев В. П., Теруков Е. И., Шерченков А. А.Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. –168 с.

2. Гременок В.Ф., Тиванов М.С., Залесский В.Б. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов. Минск: Изд-во БГУ. 2007. – 222 с.