Тема 7. Добиване на електрическа енергия от слънцето. Фотоволтаици
Резюме
В настоящият раздел се разглежда същността на слънчевата енергетика за осигуряване на регулируем добив на електрическа енергия от слънчевата радиация. В началото са разгледани видовете технико-технологични системи за добив на електрическа енергия от слънчето - фототермични, фототермомеханични, фотоволтаични, хибридни и когенеративни. Разяснени са възможностите за пряко и непряко генериране на електроенергия от слънчевото лъчение. В третата част на раздела е изложена същността на фотоволтаизма и неговото развитие в исторически план. Дадени са приносите на пионерите в тази област - Бекерел, Адамс и Дей, Айнщайн. Изяснен е принципът на външния фотоефект. В четвъртата част е разгледана кристалната и аморфната структура на полупроводниците и принципа на вътрешния фотоефект. Разгледано е влиянието на слънчевата радиация с различен спектрален състав върху вътрешния фотоефект при различни полупроводници, което се явява предпоставка за развитие на така наречените многопреходни фотоволтаици. Показани са структурните слоеве на фотоклетките, както и свързването им в редове,модули и групи от модули. В пета точка са разгледани видовете фотоволтаици, според химичната същност на полупроводниците, наложени и утвърдени със своите качества. Проследени са генерациите в развитието на фотоволтаичните модули. Дадени са стандартните условия за определяне на основните технически параметри на фотоволтаичните системи, както и техните основни технически параметри - пикова мощност, напрежение на празен ход, ток на късо съединение, максимална мощност, фактор на запълване и ефективност на преобразуване. Накрая са дадени начинът на монтаж на фотоволтаиците / едноосни, двуосни тракери и статично инсталиране/ , монтажният ъгъл и предотвратяване на взаимното им засенчване при монтаж в редове. Разгледани са режимите на експлоатация на фотоволтаичните системи - директна, автономна и централизирана.
1.Увод и същност на слънчевата енергетика
Използването на Слънцето за енергийни цели е от древността. Всъщност Слънцето е най-големият , на практика вечен, възобновяем източник за Земята. Тласък в директното преобразуване на слънчевото излъчване в електроенергия дава развитието на космонавтиката. Всички космически кораби и извънземни станции използват фотоволтаични системи за пряко преобразуване на слънчевата енергия в електричество. Развитите технологии в тази област вече се използват мащабно и при земни условия за добиване на енергия. Основните фактори за това развитие са дефицитът и поскъпването на традиционните конвенционални горива и екологосъобразноста на слънчевата електроенергетика.
Целта на слънчевата електроенергетика е осигуряване на регулярен добив на електрическа енергия за сметка на слънчевата радиация и централизираното й подаване към националната електрическа мрежа.
2. Технико-технологични системи за добив на електрическа енергия за сметка на слънчевата радиация.
2.1. Фототермични системи интегрирани с ТЕЦ (топлоелектроцентрали)
Тези системи осигуряват добив на прегрята пара (с температура над 350°С), с помощта на която се задвижват турбините на генераторите в обособения ТЕЦ. В зависимост от принципа за добив и технико-технологичната специфика за подаване на прегрята пара фототермичните системи биват:
> Системи за локален добив на прегрята пара с линейно фокусиране.
Основният функционален елемент на системата е парогенераторен топлообменник в комбинация с оптичен концентратор на слънчевата радиация. В качеството на оптични концентратори се използват параболични рефлектори от поликарбонат, насочващи концентрираната светлина по надлъжната ос на парагенераторния топлообменник /сн.7.1/.
Сн.7.1 Соларно-термична електроцентрала с линейно фокусиране от параболични рефлектори за локален добив на прегрята пара
Температурата на добиваната пара е най-често в диапазон от 350-380°С. Разработени са експериментални и лазерни образци на фототермични системи с локален добив на пара, при което парагенераторният топлообмен е монтиран в корпус, чието покритие представлява последователно подредени френелови лещи, изработени от поликарбонат. Лещите фокусират слънчевата светлина по линията на вградения топлообменник, с което температурата на генерираната пара достига до 400°С.
> Системи за централизиран добив на прегрята пара.
Тези системи осигуряват значително по-високи генериращи мощности в сравнение с тези на линейно фокусиране. При централизираните варианти парогенериращият топлообменник се инсталира в специализирана сграда (кула) с подходяща оптическа пропускливост. Слънчевата светлина се фокусира с помощта на параболични рефлектори върху повърхността на парогенератора /сн.7.2а,б/
Сн.7.2 а Изглед отстрани
Сн.7.2 б Изглед отгоре
При тази схема на оптична концентрация температурата на прегрятата пара е най-често в интервал от 400 до 450°С.
Фотермичните системи за добив на електрическа енергия се отличават с високи норми на капиталови инвестиции и отнемане на значителни земни терени. В този смисъл разработването им в региони с интензивна икономика и земеделие не е финансово издържано. Фототермичните централи са особено подходящи за региони с полупустинен или пустинен климат както и за области с екстензивен поминък и неусвоени пустеещи терени. Системите са разпостранени в САЩ, Австралия и някои страни от близкия изток.
2.2. Фототермомеханични системи. Тези разработки технологично обединяват оптични модули за прегряване на работни флуиди с механични модули задвижвани от прегретият флуид. Механичният модул осигурява въртящ момент за електрогенератора.
Най-често използвания вариант на фототермомеханичната система е топлинният двигател на Стърлинг. Същият е топлинен двигател с външно горене и е принципен физикомеханичен аналог на парната машина /сн.7.3 и фиг.7.1/
Сн.7.3 Общ вид на соларна термо-механична система за производство на електрическа енергия чрез двигател на Стърлинг
Фиг.7.1.Принципна схема на топлинен двигател на Стърлинг
Буталото на двигателя създава две камери - лява и дясна. Когато в лявата камера се подаде прегрятият от оптичния модул флуид, температурната разлика между двете камери създава диференциално налягане, което премества буталото надясно. В същото време, охладеният флуид от дясната камера се изтласква към оптичния модул за загряване. В следващия полуцикъл действията се повтарят, но сега в дясната камера се подава прегретият флуид, а от лявата камера се отвежда охладеният флуид. Така буталото се придвижва наляво. В помощта на коляно-мотовилков механизъм линейното възвратно-постъпателно движение на буталото се превръща във въртеливо и задвижва ротора на електрическия генератор. Подаването и отвеждането на прегретия и охладен флуид към и от двигателя на Стърлинг става с помощта на клапани.
2.3. Фотоволтаични системи - представляват оптико-електрически съоръжения за директна трансформация на слънчевата радиация в електрическа енергия /фиг.7.2/. Действието им се основава на така наречения „външен” или „вътрешен” фотоефект. При вътрешния се генерират свободни електроносители с насочено движение в структурата на фоточувствителни елементи .
Фотоволтаичните системи са основните и най-динамично развиващите се технологични варианти на съвременната соларна електроенергетика.
Фиг.7.2. Принципна схема на фотоволтаична система
2.4. Хибридни електроенергийни системи - представляват функционално обединени варианти за добив на електроенергия от два или повече алтернативни енергоизточника. Най-популярните хибридни варианти осигуряват едновременно или разделно независимо производство на соларна и ветрова електрическа енергия. Концепцията и основната цел на хибридните системи е да се осигури гарантиран и регулярен добив на електрическа енергия с възможно минимално денонощно колебание.
2.5. Системи за когенерация и тригенерация на енергия [1,3].
Едновременното производство на два вида енергия за сметка на един източник се нарича когенерация. Основният вариант на когенеративна система е едновременното производство на електрическа и топлинна енергия. Най-подходящи за когенеративна енергетика са вариантите на фототермичните и фототермомеханичните системи. При тях отработеният флуид (например отработената пара след турбината на ТЕЦ се използва за затопляне на друг междинен топлоносител (например вода) с цел отопление на помещения, осигуряване на битова гореща вода или обзепечаване на технологични процеси, изискващи топлинна енергия (например в хранително-вкусовата промишленост).
Ако в процеса на енергодобива освен електрическата и топлинната енергия се генерира допълнително и студ, в системата се извършва тригенерация. В технологичен и приложен смисъл това се реализира чрез използване на абсорбционен тип хладилни машини, при които енергията необходима за обратния кръгов процес (според ІІ-ри принцип на термодинамиката), е за сметка на топлина, осигурявана от оптичните модули в общата схема на системата.
3. Същност на фотоволтаизма и историческа справка за развитието му. Външен фотоефект.
3.1. Същност на фотоволтаизма.
Фотоволтаизмът представлява технико-технологична система за директна трансформация на слънчевата радиация в електрическа енергия. Физикалният фундамент на фотоволтаизма се основава на така наречения фотоефект. Същият се определя от чувствителността на частиците, изграждащи веществата към енергията на светлинните кванти.
3.2. Исторически справки.
Откривателят на фотоволтаизма е френския физик Едмънд Бекерел. В далечната 1839 год. той установява, че при осветяване на електроди потопени в електролит, се променят стойностите на напрежението и големината на тока в експерименталната схема. След тази констатация редица естествоизпитатели започват експерименти върху явленията на електрическата генерация в условията на пряка слънчева радиация. В резултат на системни изследвания през 1883 година Адамс и Дей разработват първата фотоволтаична клетка, представляваща пластинка от селен, покрита с много тънък слой от злато. Този прототип на съвременните фотоволтаични системи е реализирал ефективност от едва 1%, но въпреки това се счита за основна крачка в зараждащата се соларна технология.
През 1906 година А. Айнщайн систематизира изводите направени дотогава и формулира теорията, обясняваща същността на фотоволтаизма. За тази му заслуга през 1921 год. е номиниран за Нобелов лауреат.
3.3. Външен фотоефект.
Външният фотоефект е физикалният фундамент на фотоволтаизма при веществата на химичните елементи с метални свойства - І ÷ ІІІ група от периодичната система. При тях фотоефектът е следствие на енергийното въздействие на светлинните фотони върху свободните електрони в атомната решетка на металите (фиг.7.3).
Фиг.7.3 Принципна схема на външен фотоефект
При поставяне на стъклена преграда между биметалната фотоклетка и светлинния поток, избиването на електрони от металната повърхност прекратява, тъй като стъклото е естествен филтър за квантите с дължина на вълната под 1.10-6 m (λ<1.10-6m) . Следва твърдението, че външният фотоефект се предизвиква от ултравиолетовия спектър на слънчевата светлина.
Физичната същност на външния фотоефект се свежда до това, че под енергийното въздействие на светлинните кванти в нанометричния (ултравиолетовия) обхват, свободните електрони получават насочено движение и се ориентират в зоната на електрода с по-слабо изразен метален характер. При това електронната плътност там се увеличава и електродът добива отрицателен потенциал, т.е. функционално се превръща в катод. В същото време зоната на електрода с по-ясно изразен метален характер редуцира електронната си плътност и добива положителен потенциал, т.е. превръща се в анод. Потенциалната разлика между анода и катода създава напрежението Uф, за сметка на което през товара Rt протича тока Iф. Генерираните се параметри зависят от общата слънчева радиация Io.
т.е. Uф; Iф = fk (Io), V; mA
Ефектът се нарича външен, тъй като генерираното напрежение и протичащия фототок са за сметка прегрупирането на свободните електрони в клетката, които са извън атомите на решетката. Затова се отнася за металите.
В практиката на съвременния фотоволтаизъм металните клетки с външен фотоефект намират съвсем ограничено приложение. Въпреки това в много лаборатории експериментите продължават и като изключително перспективен се сочи Швейцарски патент на метална фотоклетка от титан и платина, чието к.п.д. в лабораторни условия е надхвърлило 35%.
4. Кристална структура на полупроводниците. Същност на вътрешния фотоефект. Структура на полупроводниковите фотоволтаици.
4.1. Физикохимична същност на полупроводниковите материали.
Полупроводниците са чистите вещества или физикохимичните смеси на елементите от четвърта група на периодичната система. Състоянието полупроводност е условно и определя липсата на електрическа проводимост в равновесни условия, без наличие на енергийно въздействие върху веществото - т.е. при посочените обстоятелства тези вещества се проявяват като диелектрици (изолатори). Ако тези вещества бъдат подложени на външно енергийно въздействие (чрез топлинна, електромагнитна, светлинна или друг вид енергия) в даден момент загубват диелектриковата си същност и придобиват електропроводимост по подобие на типичните метали. Нещо повече, колкото по интензивно е външното въздействие, толкова специфичното електрическо съпротивление на полупроводниците се понижава, а електрическата им проводимост нараства. Това дава възможност при определени условия полупроводниковите структури да проявяват качества на електрически генератори или усилватели на параметрите на електрически ток (големина, напрежение или мощност).
4.2. Кристална структура и физична същност на електрическата проводимост на полупроводниковите материали.
В областта на полупроводниковите технологии с най-голямо приложение са чистите вещества и веществата с нарушена периодичност на химичния елемент силиций - Si / четвърта група/.
Веществата на силиция съществуват в две основни структурни конфигурации [1,2,3]:
- кристална структура;
- аморфна структура.
Силициевият кристал притежава форма на правилен тетраедър. Атомите му са разположени в центъра и върховете на тетраедърната конфигурация на абсолютно еднакво отстояние един от друг /фиг.7.4/.
Фиг. 7.4 Схема на силициев кристал
Всеки атом от върха на тетраедъра се явява централен за други четири, образувайки същата тетраедърна конфигурация. Няколко тетраедъра образуват един монокристал.
Идеалният монокристал е твърдо тяло, което има правилна периодична структура, разпростираща се в целия му обем. Такива монокристали реално не съществуват. Те винаги имат структурни промени проявени чрез наличие на примеси, размествания или пространствена деформация на тетраедъра (или липса на атоми).
Най-често срещаните кристали са с нарушена периодична структура, т.е. в отделните тетраедри има атоми на други химични елементи с различни енергийни нива от тези на силиция. Ако примесите са с по-високо енергийно ниво - т.е. добавките са за сметка на атоми на елементи от 5 група на периодичната система, при външно енергийно въздействие в структурата на кристала ще преобладават свободните електрони. В този смисъл полупроводникът ще придобива отрицателен електрически потенциал. По тази причина полупроводниците, чийто кристали съдържат примеси с по-високо енергийно ниво (атоми от 5 група), се наричат полупроводници тип N (негатив).
Ако в структурата на кристала са добавени атоми с по-ниско енергийно ниво, например от химичните елементи на ІІІ група, при външно енергийно въздействие кристалът ще генерира преимуществено дупки, т.е. положителни електроносители. Поради тази особеност полупроводниците с примеси на атоми на елементи от ІІІ-а група на периодичната система се наричат полупроводници от тип Р (позитив).
Физичното присъединяване на два полупроводникови монокристала съответно от N и Р тип създават една функционална единица-клетка с наличие на Р/N преход. Р/N връзката (прехода) предполага наличие на вътрешно електромагнитно поле между двата типа монокристали.
4.3. Същност на вътрешния фотоефект.
Вътрешният фотоефект се наблюдава при полупроводниковите материали. Той е следствие на генериране на свободни електроносители в Р/N прехода под действие на слънчевата радиация и съответното им прегрупиране под действието на вътрешното му електромагнитно поле.
В структурата на полупроводниковата клетка са обособени 3 зони (фиг.7.5.).
фиг.7.5 Структура на фотоволтаична клетка
Валентната зона се определя от N типа монокристал. (донорна)
Проводимата зона се определя от Р типа монокристал (акцепторна).
Забранена зона - определя се от Р/N прехода на клетката и се намира между валентната и проводимата зона. Разстоянието между двете зони( P/H прехода), дефинирано в енергия се нарича ширина на забранената зона-W. Ширината на забранената зона се измерва в електроволтове (еV = 1.602 x 10-19 J) и за повечето полупроводникови материали тя е около 2 еV,
т.е. W ≈ 2 x 1.602 x 10-19 J
Слънчевата радиация представлява квантова електромагнитна енергия с различна честота (спектрален състав) на квантите.
Енергията на светлинния квант се описва с уравнението:
Σ= ν.h, J (1)
където:
Σ - енергия на светлинния квант; J
ν - честота на електромагнитния квант;m-1
; λ - дължина на електромагнитната вълна;nm
h = 6.62 х 10-34, J.s
Вътрешният фотоефект е възможен само тогава, когато енергията на слънчевата светлина, попадаща върху повърхността на полупролодниковата клетка е съизмерима или по-голяма от ширината на забранената зона, т.е.
Σ ≥ W - вътрешен фотоефект, от което следва уравнението
ν х 6.62 х 10-34 ≥ 2 х 1602 х 10-19 J (2)
За да се активира (отпуши) забранената зона една от областите (валентната или проводимата) трябва да бъде достатъчно тънка. Ако енергията на светлинните кванти е над 2 еV в обемния заряд се генерират свободни електроносители - електрони и дупки. В резултат на вътрешното електромагнитно поле свободните заряди се насочват към двете области. Във валентната (N) област се натрупват електрони и тя се зарежда с отрицателен потенциал. В проводимата (Р) област преобладават дупчести заряди, които определят положителният й потенциал. Възникналата потенциална разлика обуславя напрежението Uф, което при наличие на външна верига обуславя протичане на ток Iф.
Фиг. 7.6 Схема на фотоволтаична клетка в електрическа верига
За различните полупроводници вътрешният фотоефект се проявява под действие на радиация с различен спектрален състав. При едни той се наблюдава, когато облъчващите кванти са в ултравиолетовата част на спектъра (т.нар. нанометричен обхват λ<1х10-9 m) при други във видимата (микрометричната част λ≈ 0,2÷0,8x10-6m), а при трети вътрешният фотоефект настъпва тогава, когато светлинните кванти са в инфрачервената спектрална част, т.е. λ≥ 2x10-6m. Тази специфика във фоточувствителността на полупроводниците е физичният фундамент на така наречените многопреходни фотоволтаици.
4.4. Структура на полупроводников фотоволтаичен модул.
Полупроводниковата клетка с обособения в структурата й Р/N преход се формува като една от „Р” или „N” областите и се изработва с висока оптична проницаемост. Непосредствено над нея се полага покритие с антирефлексни свойства, предотвратяващи светлинното отражение и гарантиращи висока степен на светлинна абсорбция през „N” областта към забранената зона. Краищата на валентната и проводимата зона се оформят като омични електроди с външни контакти за свръзка (фиг.7.7.) Цялата околна повърхнина на обособената клетка (без лицевата страна на антирефлексното покритие) се херметизира с помощта на капсула от полимерна смола или колофон, срещу въздействието на средовите фактори.
Фиг.7.7 Структура на фотоволтаична клетка и фотоволтаичен модул
С помощта на омичните контакти клетките се свързват последователно в ред, чието изходно напрежение е сума от единичните напрежения индуктирани в отделната клетка, т.е.
Uизх = U1 + U2+ ......................+ Un, V (3)
Броят на клетките n в реда се определя от изисканата ефективна стойност на напрежението, осигурено от фотоволтаичния модул.
Например: Ако единичното индуктирано напрежение е 0.6V, а изискваната ефективна стойност на изходящото напрежение е 12V, необходимият брой последователно свързаните клетки в един ред ще бъде 12/0.6=20 броя.
Осигуряването на необходимия мощностен капацитет се постига чрез паралелното свързване на няколко реда клетки в един общ функционален модул с изведени контакти за електрическо присъединяване към стрингове (групи от модули), управляващи елементи или инвертори. Модулът се полага върху метална или полимерна носеща рамка, а повърхностно се покрива със термирано стъкло.
5. Видове фотоволтаици. Основни параметри на фотоволтаиците при стандартни условия.
5.1. Видове фотоволатици според химичната същност на полупроводниковите елементи [1,3,].
Кристален силиций(c-Si) - класически вариант на фотоволтаичен модул. Отличава се с висок к.п.д.- около 24% при лаобраторни условия и 14-16% при серийно произвежданите образци. В структурно отношение представлява монокристал получен при т.нар. тристъпкова технология, осигуряваща топене на пречистен SiO2 във вакуумна среда и последваща кристализация чрез контролирано охлаждане. Пазарните варианти от монокристален силиций са с относително най-висока цена. Постигат максималната си ефективност при интензивност на слънчевата радиация над 900 W/m2. Чувствителни са към високи температури при експлоатация.
Поликристален силиций (рс-Si)- представлява технологична и структурна разновидност на монокристалния силиций. Ефективността(кпд) му при лабораторни условия достига 18%, а при серийните образци е 12-14%.
Аморфен силиций (а-Si) - този вариант е с аморфна структура (безпорядъчно разположение на атомите в обема на веществото) получена в условията на така наречената тънкослойна технология, която е значително по-нискоенергоемка от тристъпковата технология за производство на кристалните варианти. В лабораторни условия к.п.д. е около 10-11%, а при серийните образци достига 6÷8%. Пазарните модули от аморфен силиций са с относително най-ниски цени. Независимо от ниската ефективност на енергийна трансформация (6-8%), понастоящем пазарните варианти на аморфни силициеви фотоволтаици са са най-висок търговски оборот. Причината за пазарното им превъзходство се определя от 3 аргумента.
- относително ниска пазарна цена;
- фоточувствителността на аморфните варианти (респективно генериращият им потенциал) се запазва при относително по-ниска интензивност на слънчевата радиация Io≈500÷1000W/m2. Следствие на тази особеност годишното производство на електрическа енергия от единица фиксирана мощност на аморфни фотоволтаици, може да се доближи, а дори и да надхвърли добитата електроенергия от мощностен аналог на монокристален силиций. Констатацията е изключително актуална за региони, в които средногодишната максимална стойност на слънчевата радиация е под 900W/m2, каквито са обстоятелствата в населените места и в регионите с интензивно отделяне на замърсители в атомсферата;
- сравнително висока експлоатационна устойчивост спрямо нарастваща температура на работната среда.
Кадмиев телурид (CdTe) и кадмиев сулфид (CdS) - технологичните, производствените, експлоатационните и финансовите им параметри са много близки с тези на пазарните варианти от аморфен силиций.
Галиев арсенид (GaAs) - полупроводников материал с монокристална структура с най-висока фотоволтаична ефективност към момента. К.П.Д. при експлоатационни условия е в диапазон от 25-30%. Масово се използва в самолетостроенето, оборудването на космически средства, както и във военната индустрия. Поради високи пазарни цени, засега няма широко приложение във фотоволтаичната енергетика.
Фотоволатични материали без Р/N преход на вътрешния фотоефект. Към тази група се отнасят субстанции, които са продукт на така наречените нанотехнологии (т.е. инженерна физикохимия на молекулно ниво). В основната си част представляват органични багрила или наноклетки, съдържащи между 100 и 100000 атома. Трансформацията на слънчевата енергия в електрическа е следствие на сложни химични и физични преобразувания, протичащи на атомно-молекулно ниво. Органичните багрила и нанокристалите са бъдещето на фотоволтаичната индустрия.
5.2. Генерации в развитието на фотоволтаичните модули [6]. Могат да се отбележат няколко основни етапа в развитието на фотоволтаичните модули. Те са свързани с възможностите за увеличаване на ефективността им, намаляване на пазарните им цени и разработката на нови суровини и технологии за производство на фотоволтаици.
Първа генерация - производство на фотоволтаици от моно и поликристален силиций по схемата на тристъпковата технология. За начало се приема 1954 година, когато в масова продажба са пуснати монокристални варианти с к.п.д. около 6%.
Втора генерация - за условно начало се приема 1980 година, когато са създадени първите тънкослойни варианти от аморфен силиций (а-Si) и кадмиев телурид (CdTe). Малко по-късно се появяват и първите двустранни фотоволтаични модули, предназначени за експлоатационни обстоятелства с висока степен на отразена слънчева светлина - огромни водни пространства, вечнозаснежени терени или обширни пясъчни масиви.
Трета генерация - за условно начало се приема 2000 година. Технологичният акцент е разработване на многопреходни варианти, включващи два или повече слоя от различни полупродникови клетки с различна чувствителност към енергията на светлинните кванти. Най-повърхностният слой е от полупроводников материал, изискващ много висока честота (респективно малка дължина) на електромагнитния квант. Последователно в дълбочината на многопреходния модул се поставят клетките, проявяващи активност към по-ниски честоти на светлинните кванти. В най-дълбокия слой се полагат клетките, проявяващи фотоефект в условията на ниска честота, респективно голяма дължина на електромагнитния квант.
Към тази генерация се отнасят и фотоволтаичните модули от GaAs, които освен с обичайното антирефлексно покритие се комбинират допълнително с френелови лещи за оптична концентрация на слънчевата светлина. С това технологично решение к.п.д. на серийните модули от GaAs надхвърля 30%.
Четвърта генерация - към нея се отнасят продуктите на нанотехнологиите (органични багри и нанокристали), които по физико-химичен път (без обособяване на P/N преход и типичен вътрешен фотоефект), директно трансформира слънчевата радиация в електрическа енергия.
5.3. Стандартни условия за определяне основните технически параметри на фотоволатичните системи [2,6,7].
Стандартни условия
Техническите параметри, описващи производителността на фотоволтаичните системи се регламентират при едновременното съчетание на три фактора. В теорията и практиката на фотоволтаизма комбинираното въздействие на тези фактори се нарича стандартни условия.
Интензивност на слънчевата радиация.
Параметрите на фотоволатиците се регламентират при интензивност на слънчевата радиация Io=1000W/m2. За много региони и практически обстоятелства тази интензивност е практически непостижима. Освен това постигането й е времево детерминирана. Максималната слънчева радиация се достига единствено в часовете около пладне - между 11.30 и 13.30 часа. Тези особености често пъти водят до необосновано надценяване на ефективността на фотоволтаиците, особено на етап проектиране и избор на вида модули.
Температура на работната среда.
Оптималната температура за постигане на максимална ефективност на фотоволтаична трансформация е ton=25°C. При стойности на температурата над посочената ефективността намалява, поради така нареченият дрейф на атомите в структурата на отделната фотоклетка. Особено чувствителни към положителното нарастване на оптималната работна температура са монокристалните фотоволтаични варианти. Достигането на денонощния максимум на слънчевата радиация Io≈1000W/m2, обикновено се съпътства от повишена работна температура, което рефлектира неблагоприятно върху ефективността на модулите.
АМS (Air Mass Spectrum) - въздушен референтен спектър (слънчев референтен спектър-АМ); АМ = 1.5. Този фактор е определен в относителна стойност и описва средния път през атмосферната обвивка, който се изминава от светлинните кванти (около пладне АМ=1.0, а при изгрев и залез се приема условно за 2.0).
Извън контекста на стандартните условия, следва да се взема в превид влиянието на частично засенчване (неогряване) на фотоволтаичните модули. То води не само до понижаване на ефективността на трансформация, но и създава риск от така нареченото термично разрушаване на фотоклетки. За предотвратяването му се използват байпасни диоди в паралел на всяка клетка и общ блокиращ диод, свързан последователно на всеки ред фотоволтаични клетки.
Особено рискови за експлоатационната надеждност на фотоволтаиците са локалните затъмнения от замърсяване.
5.4. Основни технически параметри на фотоволтаичните системи [1,5].
Пикова мощност - Рр (ват пик Wp или кWp киловат пик) - максималната електрическа мощност, която фотоволтаичният модул може да реализира при изпълнени стандартни условия.
Напрежение на празен ход - Uос=0.6-0.8V без консумация на ток (без товар). Този параметър практически не се променя при намаляване на мощността на слънчевата радиация до 200 W/m2 и проявява отрицателна температурна зависимост средно с 0.2%-0.5%/°C.
Ток на късо съединение - Isc - стойността му зависи от вида на клетката и нейната площ обикновено е около 1-1.2А на една клетка и между 5-20А/ m2. Токът на късо съединение слабо нараства с повишаване на температурата като коефициентът е между +0.02%÷0.06%/ °C.
Максимална мощност - Рmax - мощността, която клетката може да осигури през свързан към нея товар. Тя зависи от напрежението върху клетката и се достига при стойности близки до напрежението на празен ход Uос. Максималната мощност се реализира при максимален ток Im, който е с 10-15% по-малък от тока на късо съединение и напрежение при максимална мощност Um.
Рmax = Um . Im, W (6)
Максималната мощност намалява с увеличаване на работната температура и има относителен коефициент на корелация около 0.6%/°C.
Фактор на запълване (FF-Fill Factor) - илюстрира доколко реалната волтамперна характеристика се доближава до идеалната( фиг.7.8), т.е.
(7)
Фиг. 7.8 Волт-амперна характеристика на фотоволтаична клетка
Ефективност на преобразуване - η (коефициент на полезно действие) - показва каква част от падащата върху клетката слънчева радиация се преобразува в електрическа енергия, т.е.
6. Начин на монтаж, режими на експлоатация и електрическо подвързване на фотоволтаиците.
6.1 Начин на монтаж.[2,6,7]
>Инсталиране върху тракер.
Тракерът представлява монтажна рама с режим на автоматично насочване на инсталираните върху нея фотоволтаици по посока на слънцето. В зависимост от начина и точността на ориентация тракерите биват 2 вида.
>Едноосни тракери - осигуряват автоматично насочване на фотоволтаиците по посока на азимуталния ъгъл на слънцестоене. Монтажният ъгъл спрямо хоризонталната равнина е фиксиран на 30° и не се променя в съответствие с височинния ъгъл на моментното слънцестоене (фиг.7.9).
>Двуосни тракери - осигуряват автоматично насочване на фотоволтаиците едновременно по посока на азимуталния и височинния ъгъл на слънцето (фиг.7.9).
Фиг. 7.9 Схема на едноосен и двуосен тракер
Рамите както на едноосните, така и на двуосните тракери се задвижват със стъпков електродвигател. Автоматичното управление на стъпковите електродвигатели се осъществява със софтуер, определящ моментните координати на слънцето в зависимост от ъгъла на деклинация за съответния ден, азимуталната посока и височинния ъгъл на слънцето в съответствие с текущото астрономическо време. За всеки конкретен обект, текущото астрономическо време се коригира с показателя на действителното слънчево време (Solar Time), отчитащ точното географско разположение на фотоволтаичната централа в рамките на така наречения часови пояс.
Основното ограничение при използване на системите за автоматично насочване на фотоволтаиците е цената на тракерите. Използването на тракерно насочване на фотоволтаиците е икономически обосновано единствено при монокристалните варианти и модулите с оптическа концентрация на светлината чрез френелови лещи.
> Статично инсталиране върху неподвижни метални рами.
Понастоящем статичният монтаж на фотоволтаичните модули е основният практически вариант за инсталиране на аморфните панели.
Статичното поле от фотоволтаици се насочва по посока юг на съответния терен. Препоръчва се известно отклонение в посока юг-югозапад, но не повече от 5-6°. Монтажният ъгъл на модулите спрямо хоризонталната равнина е 30°. При тази стойност на монтажния ъгъл се постига най-добра комбинация между средногодишното количество слънчева енергия на единица площ и пиковите стойности за енергийта трансформация при стандартни условия.
С цел предотвратяване на взаимното засенчване на отделните редове, разстоянието между тях се определя както при топлинните слънчеви колектори (вж. Раздел 6.).
Материалите на носещата конструкция представляват профили с различна форма на напречното сечение. На пазара се предлагат монтажни профили от горещопоцинкована стомана и такива от алуминий. Вертикалните колони на носещата конструкция се набиват директно в предварително уплътнената почва или се фундират в стоманобетонови основи. Хоризонтално носещите рамене се свързват посредством специализирани планки и винтово-скрепителна арматура. Независимо от вида на монтажните профили към тях се предявяват следните механичноякостни изисквания, съгласно стандарт DIN1055
- устойчивост на статично натоварване, еквивалентно на 75 kg/m2 сняг;
- устойчивост на динамично натоварване за вятър със скорост до 102 km/h.
6.2. Режими на експлоатация и използване на фотоволтаичните централи [1,3,4,6].
>Режим на директна консумация на постоянно-токова фотоволтаична енергия в комбинация с акумулаторна станция( виж. фиг. 7.6).
Режимът на директна DC/постоянно токова/ консумация е приложим единствено за постояннотокови консуматори. Изключително актуален е за разработване на осветителни инсталации в обществени, производствени и жилищни сгради. Реално приложим е за улично и парково осветление. Използва се за захранване на таксомати. Широко приложим е като източник на напрежение при електризаторите на електропастири.
Основното изискване за експлоатация на вариантите с директна DC консумация е пълното съответствие на напрежението и мощностните параметри между фотоволатичните модули и използваните консуматори.
> Режим на автономно електрозахранване (фиг.7.10) - островна система (grid off).
Този вариант на използване предполага четири основни компонента на фотоволтаичната система за електрическо захранване:
- фотоволтаично поле
- DC - Switch - контролер
- акумулаторна станция
- инвертор (DC-AC-преобразувател)
Фиг. 7.10 Система на автономно електрозахранване с фотоволтаична енергия
Функцията на DC контролера е аналогична на тази при вариантите с режим на директна постоянно-токова консумация. DC - контролерът е комбиниран със светлинен сензор за интензивност на слънчевата радиация. При наличие на достатъчна осветеност контролерът затваря веригата към консуматорите и зареждания модул на акумулатора. След зареждане на акумулатора вътрешните контакти „в” го шунтират (изключват ) от захранващата верига. При липса на достатъчна осветеност контактите „а” комутират (прекъсват) електрическата свръзка на колекторите. Контактите „в” затварят електрическата верига между акумулатора и консуматорите. Последните преминават в режим на резервно захранване. Принципната специфика на grid off системата е наличието на DC-AC-преобразувателя, наречен инвертор. Същият представлява силов електронен модул, който преобразува постоянно токовата енергия на фотоволтаиците (или акумулаторите) в променливотокова. След преобразуването, инверторът трансформира променливото напрежение до стандартизирана ефективна стойност, например 230 V. С помощта на вграден честотен генератор инверторът гарантира константна честота на променливото напрежение - например 50Hz. Това решение дава възможност АС изходът на инвертора да се свърже с променливотоковата инсталация на даден обект. По този начин електрически ще бъдат захранвани както постоянно токовите, така и променливотоковите консуматори в обекта.
Основното изискване към практическите варианти на системата grid off е пълното съответствие между инсталираните променливотокови консуматори и мощностните параметри на АС изхода на инвертора.
Кръглогодишният денонощен режим на гарантирано електрическо захранване със системата grid off изисква осигуряване на сериозен акумулаторен капацитет, което води до значително увеличаване на инвестиционните разходи.
В условията на моментната ценова конюктура за изкупуване на фотоволтаична електроенергия, разработването на система grid off е практически обосновано единствено за региони с топографски ограничения или други лимитиращи обстоятелства за ползване на електроразпределителната мрежа на националния енергопръстен.
>Режим на централизирано свързване на фотоволатичната централа с електроразпределителната мрежа чрез система „grid on”.
Вариантите grid on се наричат още мрежови фотоволтаични системи и обхващат всички слънчеви централи, предназначени за продажба на електрическа енергия.
Общият вид на фотоволтаичен вариант от системата grid on е даден на фиг.7.11, а по-пълна схема е дадена на фиг.7.12.
Фиг.7.11 Общ вид на централизирано свързване на фотоволатичната централа с електроразпределителната мрежа чрез система &bdquogrid on”.
Фиг.7.12 Схема на централизирано свързване на фотоволатичната централа с електроразпределителната мрежа чрез система „grid on”.
1 - фотоволтаично поле
2 - DC-switch контролер
3 - инвертор
4 - комутатор на режима със силова защита
5 - електромер за продадената в мрежата електроенергия
6 - електромер за консумираната от мрежата електроенергия
7 - компютърна конфигурация със софтуер за наблюдение, предизвестяване и контрол върху работните процеси
8 - GSM - връзка
9 - осигуряване на електрически консуматори на територията на фотоволтаичната централа.
DC-switch контролерът осигурява електрическа защита на системата откъм постояннотоковата й страна. При липса на интензивност на слънчевата радиация или изключва едновременно или поотделно модулите с недостатъчна осветеност. Той осигурява функционален контрол върху комутатора на режима на работа (4).
Инверторът (3) преобразува постоянното напрежение на фотоволтаичната енергия в променливо, трансформира го и го синхронизира с честота на електрическата енергия от националния енергопръстен. В зависимост от вида на променливото напрежение централизираните инвертори за система grid on са монофазни или трифазни. Най-често трифазните варианти са трансформаторни, а мнонофазните са с битрансформаторно повишаване на напрежението. Безтрансформаторните варианти са с по-висок коефициент на полезно действие (η≥96%) в сравнение с трансформаторите.
В режим на електрическо генериране комутаторът (4) свързва инвертора (3) през електромера (5) към електроразпределителната мрежа. Комутаторът се комбинира с автоматични прекъсвачи, чиято максимална изключвателна възможност Icn се определя според БДС-60898 и БДС EN 60947-2.
Електромерът (5) отчита продадената електроенергия в системата на националния енергопръстен.
В часовете без слънцегреене и в условията на критично ниска интензивност на слънчевата радиация - Io<200W/m2, контролерът 2 прекъсва свръзката на фотоволтаиците към мрежовите инвертори. Комутаторът (4) автоматично променя режима на работа от генераторен в потребителски. През електромера (6) се захранват електрическите консуматори в централата, които са с денонощно потребление на електроенергия.
Чрез компютърната конфигурация (7) се осъществява пълен мониторинг, контрол и управление върху всички елементи (както и техните параметри), изграждащи системата.
Основни понятия
Фотоволтаична клетка, фототермична система, фототермомеханична система, външен фотоефект, вътрешен фотоефект, кристална и аморфна структура на полупроводниците, фотоволтаични системи- директни, автономни и централизирани, пикова мощност, напрежение на празен ход, максимална мощност, фактор на запълване, ефективност на преобразуване, едноосен тракер, двуосен тракер, статично инсталиране, монтажен ъгъл, grid-off и grid-on фотоволтаични системи
Литература
- Младенчева Р., Фотоволтаични електросистеми, 2009 /материали,тенологии когенерация,опт.избор
- Надеждност на фотовоптаичните инсталации, сп.Енергия, бр.3, 2011 монтаж и стандарти
- Тончев Г., Новата енергетика, Първа част . 2008/ многослойни преходи, видове материали
- http://www.unicad.bg/pv_shematic_diagram_01.htm автономна система
- http://www.b2b.bg/solar.html ефективност на разл. Фотоволтаици
- http://pvcert.gr/assets/media/PDF/Publications/Informational%20Material/Installing%20PV-Practical%20guide/208.pdf -монтаж, историческо развитие, видове фотов. С-ми
- http://energia.elmedia.net/bg/2011-3/editorials/ -монтаж и стандарти за панели
- http://www.youtube.com/watch?v=MG4h0z8zvv4----Клип фотоефект-англ.
- http://www.solarenergy.net/solar-videos/solar-panels.aspx Клип -монтаж на фотоволтаици
- http://www.youtube.com/watch?v=c0YFIMZTv90 Клип -монтаж на фотоволт. Панели -немски
- http://www.youtube.com/watch?v=XBEOxUx9iQY Клип -монтаж на фотоволт. Панели- немски
