Пути повышения энергоэффективности солнечных батарей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышения эффективности добычи электроэнергии из альтернативных источников (КПД -- коэффициент полезного действия) на сегодняшний момент не редкость, но желаемого результата пока так и не удалось достичь никому, ни в какой области. Все стараются использовать новые материалы, сложные системы слежения или необычные физические явления.

В краткосрочной перспективе, использование экзотических материалов и физических феноменов, для добычи электроэнергии из энергии солнца, выглядит перспективно, но вот при рассматривании варианта на долгосрочную перспективу, такой подход оказывается не эффективным.

Среди возобновляемых источников энергии солнечная энергетика по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности одна из наиболее перспективных. Но на нынешний момент солнечные батареи имеют два весомых недостатка - высокую цену и низкую эффективность. Данный проект направлен на то, чтобы решить, в зависимости от нужд, каждую из этих проблем. Высокая цена солнечных батарей определяется, в первую очередь, высокой ценой фотоэлементов. Увеличение собственного КПД фотоэлементов в разы увеличивает стоимость. Поэтому единственный способ снизить цену на солнечные батареи - это увеличить мощность солнечного потока, падающего на единицу площади фотоэлемента.

Повышение эффективности солнечных батарей с помощью солнечного трекера и акрилового концентратора

Можно оборудовать готовые солнечные панели и модернизировать новые с помощью устройств ориентации солнечной батареи на солнце (использовать солнечный трекер) и концентрации солнечной энергии (использовать концентратор).

солнечный батарея трекер концентратор

Акриловый концентратор

Концентратор - устройство, которое позволяет собирать солнечную энергию с большей площадью и направлять её на меньшую площадь. Сейчас концентраторы представлены в основном параболическими зеркалами и линзами Френеля. Есть также другие различные сложные и не очень системы зеркал с различной степенью концентрации, но они не получили широко распространения из-за различных недостатков. Есть также значительные минусы и у указанных концентраторов. Параболические зеркала очень большие и тяжёлые из-за своей конструкции, не позволяющей сделать их меньше, а значит, подвергают систему повышенному риску поломки. Также они требуют очень точного ориентирования на солнце и систем охлаждения, иначе их эффективность крайне снижается. Линзы Френеля имеют меньшую, но всё же значительную толщину, а также требуют ещё более точного наведения и более мощного охлаждения, стоят дороже.

В связи с этим было предложено уникальный акриловый концентратор, который решает эти проблемы. Он представляет собой лист, большая часть состава которого оргстекло, толщиной около 1 сантиметра, состоящий из специальной светоотражающей поверхности, а также 2 клиньев, направленных наклонными плоскостями друг к другу и имеющими между собой зазор, заполненный специальным клеем. Благодаря рассчитанным характеристикам, выполненный концентратор позволяет собирать солнечную энергию со всей приёмной поверхности и направлять её в торцы, на которых расположены фотоэлементы, размер которых в разы меньше приёмной поверхности устройства. Концентратор позволяет достигать 7ми кратной концентрации с КПД 75%. КПД посчитан теоретически и подтверждён экспериментально. Концентратор имеет маленький вес и объём, имеет большую диаграмму направленности на солнце и не требует мощных систем охлаждения, позволяя обойтись пассивными радиаторами. Созданы рабочие опытные образцы концентратора (рис.1). Получен патент. Заканчивается работа над введением готовых полномасштабных панелей для солнечных установок.

Рисунок 1. Внешний вид акрилового концентратора

Проведены расчёты зависимости работы концентратора от наклона. Получено, что он эффективно работает в пределах -3 до 0 градусов по одной оси и от -30 до +30 градусов по другой оси, поэтому возможна ориентация даже только в одной плоскости.

Конкурентные преимущества:

имеет маленький вес и объём, сравнимый с обычными солнечными панелями, в отличие от тяжёлых и массивных параболических зеркал

Благодаря плоской форме и углу наклона на концентраторе не собирается конденсат летом и снег зимой, что позволяет практически не обслуживать его

имеет большую диаграмму направленности на солнце (возможны отклонения до 30 градусов по одной оси, тогда как у других концентраторов не более 0,5 градуса)

не требует мощных систем охлаждения, что снижает стоимость системы и увеличивает её надёжность

Себестоимость концентратора выходит дешевле аналогов

Но даже при таких параметрах необходим солнечный трекер, осуществляющий движение, по крайней мере, по одной оси.

Солнечный трекер

Солнечный трекер - это устройство, направляющее солнечную батарею или концентратор на солнечные лучи, позволяя выработать им в течение дня большее количество энергии. Трекеры бывают активные, пассивные и с ручной наводкой. Наиболее универсальные активные системы ориентирования. Также системы могут ориентироваться либо по одной, либо по 2м осям. Хотя двухосевая даёт небольшой выигрыш по сравнению с одноосевой системой, она сложнее и дороже, из-за чего не всегда оправдывает себя. Поэтому в условиях географического положения было предложено уникальный одноосевой активный солнечный трекер. Принцип его действия основан на аналогово-цифровом сигнале платы управления, которая позволяет отказаться от использования микроконтроллеров и шаговых двигателей, позволяя снизить цену системы и упростить её, сохраняя качество и надёжность. Также для неё созданы оптические концевики и датчик света, которые позволяют установке эффективно ориентироваться на солнце, отключаться ночью и возвращаться на следующий день в исходное положение.

Была выведена формула, которая была подтверждена практически, о зависимости мощности, доходящей до фотоэлементов, от угла падения на солнечную батарею лучей. Получено, что без трекера солнечная батарея теряет около 40% энергии. Собраны рабочие опытные образцы установки (рис.2). Дорабатывается большой образец для установки на крышу института (рис.3), ведётся работа над патентованием.

Рисунок 2. Опытный образец трекера

Рисунок 3. Образец рабочего трекера для института

Трекер состоит из самой солнечной панели, платы управления, регулирующей поворот системы, аккумулятора, который питается от солнечной панели и от которого работает мотор, вращающий систему, и нагрузка, а также оптических концевиков, не позволяющих вращаться батарее более чем на 200 градусов, предотвращая наматывание и излом проводов. Главной частью установки является плата управления. Её принцип действия основан на 2х светодиодах, разведённых под углом около 40 градусов. Когда солнечное излучение падает больше на один из светодиодов, то формируется сигнал, который обрабатывают микросхемы, замыкающие противоположные по знаку полюса, начинает течь ток и работать мотор. Плата позволяет регулировать шаг системы. Изменяя сопротивление на реостате, можно добиться изменения времени между включениями солнечного трекера. Это необходимо потому, что солнце движется на небосводе довольно медленно, а при ориентации потребляется электроэнергия. Поэтому выгоднее включать установку через определённые промежутки времени. Были произведены расчёты и выведена формула для зависимости мощности системы от шага ориентирования. Они показали, что наибольшей эффективности система достигает при шаге в 1 час для солнечных батарей и в 8 минут для концентраторов.

На данный момент имеются опытные образцы как концентратора, так и трекера, патент концентратора. Ведутся работы по созданию полномасштабных образцов и патентованию трекера. Использование одноосевого трекера позволяет увеличить эффективность работы на 30-35% для солнечных батарей и в несколько раз для концентратора. Применение же концентратора и трекера одновременно позволяет снизить стоимость солнечной энергии в несколько раз, вплоть до 0,9$ за ватт солнечных установок с 17% КПД и сроком службы не менее 20 лет. Причём основными потребителями могут являются как частные владельцы, такие как жители посёлков, дачей, коттеджей, так и более крупные структуры. Начиная от предприятий и заканчивая солнечными электростанциями и интеграторами солнечных энергоустановок.

Исследователи из Массачусетского технологического института придумали способ, как повысить КПД обычных солнечных панелей. Они предлагают внедрить промежуточный нагревательный элемент между потоком солнечного излучения и поверхностью панелей. Идея в том, что при нагревании этот элемент будет излучать в спектре, который лучше подходит для поглощения стандартными кремниевыми элементами.

Рисунок 4. Нанофотонный солнечный термофотоэлектрический элемент, составленный из нескольких слоёв углеродных нанотрубок в качестве поглотителя и фотонного кристалла Si/SiO₂ в качестве излучателя, а также солнечной фотоячейки на 0,55 eV

Вопреки логике, здесь добавление дополнительного этапа преобразования на самом деле повышает КПД, поскольку позволяет получить энергию от фотонов на частотах, которые обычно уходят впустую.

Обычные солнечные панели преобразуют в электричество энергию только тех фотонов, которые соответствуют определённым рамкам по нижней и верхней границам диапазона. Кремниевая микросхема чувствительна к широкому спектру, но при этом многие фотоны проходят мимо неё. Добавление поглотителя из углеродных нанотрубок позволяет решить эту проблему. Данный слой чувствителен к большему диапазону частот и при бомбардировке фотонами нагревается до 962°C. При нагревании он излучает фотоны строго определённой энергии, которые отлично поглощаются фотоячейкой и преобразуются в электричество.

Подобную технологию предсказывали теоретики несколько лет назад, и вот теперь её удалось реализовать на практике. Говорили, что термоэлементы позволят преодолеть теоретический лимит эффективности преобразования солнечной энергии для кремниевых микросхем, установленный на уровне 33,7% (предел Шокли-Квиссера). В данном случае КПД теоретически может достигать 80%.

Впрочем, на практике учёным пока далеко до теоретически максимального предела. Прежние эксперименты не могли продемонстрировать КПД выше 1%, но в Массачусетском технологическом институте зафиксировали эффективность преобразования на уровне 3,2%, а авторы научной работы уверены, что в ближайшее время смогут повысить его до 20%. По их словам, этого достаточно для выпуска коммерческого продукта.

Из мировых новостных агентств поступило несколько новостей про увеличение КПД солнечных батарей. Так в Штуттгартском университете группой ученых, под руководством Юргена Кёлера, достигнут очередной рекорд эффективности солнечных панелей. В технологии производства солнечных панелей из прозрачного пластика используется обработка ячеек солнечных батарей лазером. Разработанная технология пригодна для использования в индустриальных масштабах (для массового производства). В обычном процессе производства солнечных панелей pn-переход достигается при высокотемпературной обработке в диффузионной печи. А группа немецких исследователей использовала для достижения этой цели пульсирующий лазерный луч. Эффективность солнечных батарей до недавнего времени составляла 16%, но ученые из Штуттгарта получили образец с КПД 19%! Эта новость поступила сегодня. 25-го мая 2009 года.

Компания SANYO, производящая собственные солнечные панели под маркой HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer - гетеропереход с внутренним тонким слоем), сообщила об улучшении ею собственной технологии и достижении нового рекорда эффективности солнечных батарей - 23%. Солнечные батареи HIT сделаны по гибридной технологии, они являются гибридом прозрачных кремниевых панелей и тонкопленочных технологий. Солнечная ячейка сделанная по этой технологии представляет собой тонкую и прозрачную кремниевую вафлю, зажатую ультратонкими аморфными кремниевыми слоями.

Фирма SANYO усовершенствовала технологию производства солнечных панелей, путем нанесения более качественного a-кремния над слоем с-кремния, что привело к увеличению максимального напряжения вырабатываемого солнечной ячейкой и придало дополнительную прочность ячейкам солнечных панелей. Кроме того компания уменьшила потери от оптического поглощения света в аморфном кремнии и прозрачных проводящих слоях. Модернизация технологии печати привела к сокращению потери сопротивления. Компания SANYO производит солнечные батареи для дома, для солнечных коллекторов, а улучшенные солнечные ячейки будут использоваться для новых систем энергообеспечения жилых домов на солнечной энергии.

Размещено на Allbest.ru