Тема: солнечные батареи и модули как источники питания.
Выполнил: Оганесян Данил, 442об2.
Научный руководитель: Карпова Т.В.
Солнечные батареи и модули как источники питания.
Оглавление
Введение 1
1. Применение солнечных батарей 2
2. Принцип работы солнечных батарей 3
3. Влияние внешних факторов на производительность солнечных батарей 5
4. Перспективы солнечной энергетики 6
5. Заключение 7
Список используемой литературы 9
Введение
Тема солнечной энергетики так же интересна и перспективна, как и «закрыта», что подтверждает недостаток информации в данной области. Действительно, есть интересные разработки (двухсторонние солнечные батареи, например), но о них почему-то умалчивают. С другой стороны, речь идёт об энергоёмких технологиях, связанных со многими областями жизнедеятельности человека. Именно поэтому разработки в области солнечной энергетики являются конкурентоспособными, стратегическими и - отчасти - засекреченными. Но это не мешает нам обсудить их бытовое предназначение - энергообеспечение относительно маломощных потребителей «альтернативной» солнечной энергией.
Энергия Солнца возобновляема, поэтому все современные разработки в этой области связаны с получением, стабилизацией и аккумулированием солнечной энергии, а затем и её распределением. Однако вращение Земли приводит к тому, что один и тот же участок поверхности в разное время дня освещается по-разному. В силу солнечного света вносят свои коррективы и такие факторы, как время года, ветер (циркуляция атмосферы), погодные условия, осадки и другие.
Чтобы рассматривать эту тему, нужно раскрыть некоторые определения солнечной энергетики, знание которых нам необходимо - солнечная энергетика, солнечная батарея и солнечный модуль.
Солнечная энергетика -- направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемые источники энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.
Солнечная батарея -- несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) -- полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.
Солнечные модули - это основной компонент в построении фотоэлектрических систем. Солнечным модулем является панель из различных видов кремния,
Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.
Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном.
1. Применение солнечных батарей
Применение солнечных батарей довольно широко - их используют для подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники (плееры, телефоны и т.д.), электромобилей, для обеспечения электричеством зданий и целых населенных пунктов. Даже в космических аппаратах используются солнечные батареи!
О применении батарей в зданиях и космических аппаратов хочется сказать отдельно.
Обеспечение электричеством зданий. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.
Новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т.д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование.
В Нидерландах запущен проект по созданию оконного стекла «Smart Energy Glass» с функциональностью фотоэлемента.
Обеспечение электроэнергией космических аппаратов. Солнечные батареи -- один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.
Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).
2. Принцип работы солнечных батарей
Теперь поговорим об устройстве и принципе работы солнечных батарей.
Солнечные батареи, как уже было сказано выше, состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), соединенных последовательно или параллельно, также есть комбинированное соединение (для чего соединяют СЭ таким образом мы рассмотрим ниже). Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния. Кремний, как нам известно, полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, а, значит, дешев. Вдобавок, кремниевые СЭ более производительны в сравнении с другими видами СЭ.
В состав СЭ входят задний контакт, 2 слоя кремния разной проводимости, сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок.
Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют КПД до 17,5%, а вторые - 15%.
Наиболее важный технический параметр солнечной батареи - полезная мощность, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.
ЭДС солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера СЭ. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается, т.к. уменьшается отдаваемый батарее ток.
Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = Iн*Uн, где Uн напряжение на зажимах батареи.
Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему КПД преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.
Для того, чтобы увеличить выходные параметры, т.е. ток, напряжение и мощность, отдельные солнечные элементы, соединяются последовательно и параллельно. Если соединить элементы последовательно, то увеличивается выходное напряжение, если параллельно - выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Вдобавок, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит к выходу из строя всей цепочки, а, значит, повышается надежность работы всей батареи.
Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а ЭДС - последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.
Фотоэлектрические модули и составленные из них батареи, как правило, не могут обеспечить питанием конечного потребителя. Это связано с нестабильностью солнечной радиации и многими другими факторами. Поэтому модули нуждаются в системе обеспечения автономного электропитания, которая состоит из аккумуляторных батарей (АКБ), преобразователей постоянного тока, контроллеров заряда/разряда АКБ, инверторов, стабилизаторов, устройств защиты и многого другого. Каждый элемент этой системы энергообеспечения необходимо выбирать под задачи конечного потребителя, в зависимости от мощности, условий применения и других факторов, актуальных в месте установки батареи.
3. Влияние внешних факторов на производительность солнечных батарей
Скажу несколько слов о влиянии на работу солнечных батарей внешних факторов.
Во-первых, эффективность работы и КПД солнечной батареи зависит от интенсивности светового потока. В свою очередь этот показатель связан с географическими координатами расположенной батареи, в частности -- с широтой.
Во-вторых, от угла наклона конструкции. В наше время имеются батареи, которые могут менять угол своего наклона в зависимости от градиента падения лучей. Такая система стоит дороже, но она позволяет аккумулировать внушительное количество электричества (до 40-60 %) и меньше зависеть от сезона и времени суток.
В-третьих, от температуры окружающей среды. Нагрев плохо влияет на фотоэффект, вентилируемые батареи имеют очень высокий КПД. Как ни парадоксально, но в морозную ясную погоду они вырабатывают больше энергии, чем в жару (хотя общий аккумулятивный эффект снижается из-за короткого светового дня).
В-четвертых, большое влияние на производительность батареи оказывает время года. На практике КПД солнечных панелей зимой уменьшается в 2-8 раз. Можно подумать, что это связано с выпадением снега, но на самом деле это не так: на темной поверхности он быстро тает, кроме того -- фотопреобразователи отлично воспринимают рассеянный свет (а как нам известно, яркий белый снег отражает падающий на него свет).
В-пятых, важна чистота поверхности батареи. Чем чище внешняя часть солнечных батарей, чем меньше на ней пыли, тем большее количество фотонов будет преобразовано, поэтому для повышения КПД рабочие поверхности рекомендуется протирать как минимум раз в два года.
В-шестых, немалое влияние на эффективность работы солнечной батареи оказывают тени. Не секрет, что коэффициент полезного действия для солнечных батарей в пасмурную погоду значительно снижается, в туманных и дождливых районах их нет смысла ставить, то же относится и к затененным участкам. Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли «паразитной» нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса (функция в электронном устройстве, позволяющая выполнить коммутацию входного сигнала непосредственно на выход, минуя все функциональные блоки), на каждый фотоэлемент панели. Следовательно, панели нежелательно монтировать в тени высоких деревьев или соседних домов, при выборе месторасположения приоритет отдается южной стороне.
4. Перспективы солнечной энергетики
Солнечная энергетика - энергетика будущего. Солнечная энергия поступает на нашу планету в огромных количествах, вдобавок растения(и земные и водные) утилизируют всего 32-35% поступающей от Солнца энергии, остальное тратится на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. Даже 1% от поступающей энергии весьма велик. В силу доступности и количества солнечной энергии ученые видят в солнечной энергетике достойную альтернативу другим источникам энергии.
Большая часть современных солнечных элементов изготавливается из кремния. Извлечь из песка (SiO2) чистый кремний весьма сложно, поэтому солнечные батареи стоят недешево. Вдобавок, такие батареи «ловят» не более 25% падающей на них солнечной энергии. Ученые разрабатывают новые технологии, позволяющие снизить цену солнечных батарей и увеличить их производительность. Приведу в пример одну из таких разработок.
Ученые из лаборатории Айдахо и специалисты университета Миссури предлагают следующую технологию: нанесение металлических наноантенн (крошечных квадратных спиралей) на лист пластмассы. Такая конструкция позволяет получать до 80% энергии солнечного света.
Так как размер наноантенны очень невелик, то они поглощают энергию в инфракрасной части спектра, уже за пределами человеческого зрения. Солнце излучает много тепловой энергии, часть из которой поглощается землей и другими объектами, а позже излучается в течение многих часов после заката, наноантенны могут получать и это тепловое излучение с более высокой эффективностью, чем обычные солнечные батареи.
Нанесение наноантенн на гибкий пластик делает их применение гораздо более удобным и многовариантным по сравнению с распространенными сейчас кремниевыми панелями - от покрытия крыш домов до полиэтиленовых пакетов. К тому же использование недорогих материалов при массовом производстве сделают такую батарею дешевле обычного коврика.
Но при всех этих премуществах конструкция не лишена недостатков: частота генерируемого инфракрасным излучением тока слишком велика для обработки современными электрокомпонентами. Поэтому до массового выпуска солнечных батарей нового поколения нас отделяет разработка новых методов преобразования энергии.
5. Заключение
Подводя итоги, повторюсь снова: солнечная энергетика - энергетика будущего. Неисчерпаемость солнечной энергии и ее экологичность делает ее очень хорошей заменой нефти, углю, атомной и другим видам энергии. Несмотря на то, что стоимость производства электроэнергии, получаемой с помощью солнечных батарей, сегодня ещё довольно высока, существуют прогнозы, что уже через 5-6 лет энергоресурсы, добытые с помощью Солнца, будут продаваться по цене на 50% ниже электроэнергии, получаемой при помощи угля, природного газа и даже ядерного топлива. Соответственно, рынок производства, услуг монтажа и обслуживания (ремонта) и эксплуатации солнечных батарей имеет большие перспективы.
Цены на солнечные батареи за последние 20 лет упали в 30-40 раз и продолжают снижаться, что делает использование батарей весьма перспективным и рентабельным. Современный экологически чистый дом уже невозможно представить без электричества и производящих его устройств - солнечных батарей. Следовательно, чтобы идти в ногу со временем людям придётся применять на практике новые методы энергоснабжения.
Список используемой литературы
1)
www.soel.ru/cms/f/?/461002.pdf2)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_энергетика
3)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея
4)
http://www.balt-energo.com/production/avtonomnoepitanie2.php5)
http://electrik.info/main/news/401-kak-ustroeny-i-rabotayut-solnechnye-batarei.html6)
http://www.solarhome.ru/basics/pv/techcells.htm7)
http://termoframe.ru/koefficient-poleznogo-dejstviya-solnechnyx-batarej.html8)
http://www.r0b.biz/?p=13