Диссертация (Исследование систем энергоснабжения на основе солнечной энергии для потребителей в отдаленных районах в Боливарианской Республике Венесуэла), страница 9

близкие к СЭ на основе пластин кристаллического кремния (c-Si).Важным преимуществом тонких пленок, не основанных на кремнии и такважных в жарких регионах, является то, что их КПД не снижается при ростетемпературы, или снижается намного меньше, чем при использованиикремниевых СЭ.Таким образом, скорее всего, они будут играть важную роль в данныхтехнологиях, чтобы увеличить эффективность и минимизировать затратына стоимость энергии.Солнечный элемент третьего поколенияТехнологии СЭ третьего поколения находятся в докоммерческой стадииразработки и отличаются от тех технологий, которые уже вышли на рынок(например, многопереходные с концентратором), так как их еще необходимоисследовать и усовершенствовать. Некоторые технологии третьего поколенияначинают выводить на массовое производство.

Существует 4 типа СЭ третьегопоколения:Солнечныйэлементнаосновемногослойных(каскадных)полупроводников с применением концентраторовВ последнее время повышение эффективности СЭ и энергоустановокна их основе связано с разработкой и применением многослойных (каскадных)СЭ, а также концентраторов – технология CPV, (от англ. «concentrationphotovoltaics»).КаскадныеСЭобладаютрасширеннымдиапазоном72спектральнойчувствительности,посравнениюстрадиционнымитонкопленочными СЭ и СЭ на основе кристаллического кремния.Эта технология использует недорогие оптические приборы, такие каклинзы или зеркала, чтобы сконцентрировать прямую СР на очень небольших,высокоэффективных многослойных СЭ, изготовленных из полупроводниковогоматериала.В обозначениитаких СЭ обязательно указывается коэффициентсобирания света, измеряемый в солнцах (suns). Коэффициент концентрациипоказывает, во сколько раз увеличится плотность потока падающего на СЭизлучения после его оптического собирания оптическими приборами.

Обычнокоэффициент концентрации классифицируется на три диапазона. То есть,коэффициентконцентрациисолнечногоизлученияколеблетсяот2до 100 солнц (низкая и средняя концентрация) до 1000 солнц (высокаяконцентрация).Низкая и средняя концентрация CPV являются системами с солнечнымиконцентрациями 2-100 солнца. Они могут сочетаться с кремниевыми СЭ, ноболее высокие температуры снижают их эффективность. В то время каксистемы с высокой концентрацией (свыше 500 солнц), как правило, связаныс многослойными СЭ, сделанными из полупроводниковых соединений групп IIIи V периодической таблицы Менделеева (например, арсенид галлия), которыеимеют самый высокий КПД.Многопереходные (либо ‘тандем’ или ‘трёхпереходные’) СЭ состоятиз ряда слоев р–n–переходов, каждый из которых состоит из определенногонабора полупроводников с различной шириной запрещенной зоны и спектромпоглощения, чтобы поглощать как можно большую часть солнечного спектра.Чаще всего используются материалы видов Ge (0,67 эВ), GaAs или InGaAs(1,4 эВ), и InGaP (1,85 эВ).

Трёхпереходный СЭ с запрещёнными зонами 0,74,1,2 и 1,8 эВ может достичь теоретической эффективности 59%. Учитываяих сложность и стоимость, многопереходные СЭ используются для небольших73поплощадисвысокойконцентрациейсолнечногоизлученияилив космических приборах.Эта технология, основанная на многопереходных СЭ с использованиемполупроводников групп III-V, достигла лабораторной эффективности более чем40%. Многопереходные СЭ для коммерческого использования изготовленыкомпаниями Sharp, Emcore, Spectrolab и Аzur имеют КПД около 35% - этозначительно выше, чем у обычных кремниевых однопереходных СЭ.Чтобыувеличитьпроизводство электроэнергии,концентрирующиефотоэлектрические модули должны быть постоянно направлены на Солнце,используяодно-илидвухосныесистемыслежениязаСолнцем.Многопереходные СЭ, с системой слежения за Солнцем, концентрирующиефотоэлектрические модули оказываются дороже по сравнению с кремниевымиСМ.

С другой стороны, их более высокой КПД и меньшая площадьповерхности необходимого активного материала в конечном итоге могуткомпенсировать более высокие затраты, в зависимости от динамики изменениязатрат и КПД.Так как эффективность СМ с концентраторами зависит от прямой СР, онидолжны быть использованы в регионах с ясным небом и высокой прямойСР, чтобы повысить производительность. В будущем эта технология будетзависетьотконструкторскихразработокиихопытафотоэлектрохимическиеСЭкоммерческогопроизводства.Фотосенсибилизированные красителемОнииспользуютнаосновеполупроводниковых структур, образованных между фоточувствительныманодом и электролитом.

Эти СЭ являются оптимальными, потому что онииспользуют дешевые материалы и просты в изготовлении. Однако их КПДможет снижаться со временем при воздействии ультрафиолетовых лучей.Лабораторные КПД около 12% были достигнуты за счет разработки новыхширокополосных красителей и электролитов, однако коммерческий КПД74низкий - обычно до 4%-5%. Главная причина, по которой КПД этих СЭ низкий,- это то, что существует очень мало красителей, которые поглощают широкийспектральный диапазон.ОрганическиеОни состоят из органических или полимерных материалов (таких какорганические полимеры или малые органические молекулы). Они недорогие,но имеют невысокий КПД. КПД органических СМ находится сейчасв диапазоне от 4% до 5% для коммерческих систем.ОрганическиефотоэлектрическимиСЭвсостояниитехнологиямивконкурироватьнекоторыхобластях,сдругимипосколькупроизводственные издержки продолжают снижаться.Органические СЭ могут быть наложены на пластиковые листы.

Этоозначает, что органические СЭ представляют собой легкие и гибкие пленки, чтоделает их идеальным выбором для мобильных приложений и для установкина различных неровных поверхностях. Это делает их особенно полезными дляпортативных приборов.Потенциальные областиприменения включаютзарядные устройства для мобильных телефонов, ноутбуков, раций, фонарики,игрушки и практически любое портативное устройство, использующееаккумулятор. СМ могут быть закреплены практически в любом месте к чемуугодно, или они могут быть встроены в корпус устройства.Их также можно свернуть или сложить для хранения, когда имине пользуются.

Эти свойства органических фотоэлектрических модулейпривлекательны для разработки интегрированных приложений, так как этопозволит расширить спектр применения фотоэлектрических систем. Еще однимпреимуществом является то, что технология широко используется.Новые и разрабатывающиеся концепции солнечного элементаВ дополнение к вышеупомянутым технологиям третьего поколениясуществует ряд новых технологий СЭ в стадии разработки, основанных75на использовании квантовых точек (проводов, квантовых трубок, илитехнологии супер решеток).Этитехнологиимогутбытьиспользованывконцентрирующихфотоэлектрических технологиях, где они могли бы добиться очень высокогоКПДзасчетпреодолениятермодинамическихограниченийобычных(кристаллических) СЭ. Дальше всего от рынка находятся новые концепции,часто включающие в себя высокоэффективные технологии, такие какнанотехнологии, которые направлены на то, чтобы изменить активный слой,и лучше соответствовать солнечному спектру.Помимоэтихкоммерческихиоколокоммерческихтехнологийпоявляются другие концепции СЭ, которые находятся в стадии разработки.Рис.

2.19 показывает максимально достигнутый КПД СЭ в лабораторныхусловиях[40],отсортированныйпотехнологиитипа,появившиесяв определенное время. Наиболее эффективные СЭ в настоящее время - этомногопереходные с концентратором, за ними идут СЭ с кристаллическимкремнием, тонкопленочные технологии, а затем появляющиеся технологии,такие как фотосенсибилизированные красителем и органические СЭ. Конечныйтеоретический КПД обычного кристаллического кремния и тонкопленочныхСЭ сдерживается фундаментальными физическими пределами. СЭ третьегопоколения обладают эффективностью, в четыре или в пять раз превышающейвозможности более ранних конструкций.76Рис.

2.19. Максимально достигнутый КПД СЭ в лабораторных условиях772.4.Выводы по второй главеПроанализированы ресурсы СР республики Венесуэла. Венесуэларасположена близко к экватору, благодаря этому уровни СР на ее территориимало варьируются в течение года. Альта Гуахира обладает значительнымиресурсами солнечной энергии.

Согласно ГМС "Маракайбо" величинасреднемесячнойрадиацииколеблетсяот((кВт.ч)/м 2)/сут3,60до 4,65 ((кВт.ч)/м2)/сут. Минимальное поступление СР приходится на периодс октября по январь (3,60–4,01 ((кВт.ч)/м2)/сут, и максимальное – на периодс февраля по сентябрь (4,02–4,65 ((кВт.ч)/м2)/сут, что позволяет эффективноиспользовать солнечную энергию для электроснабжения автономныхицентрализованныхпотребителейэтойобластиспомощьюфотоэлектрических установок.Проведенные исследования показали, что в случае отсутствия илинеполнотыданных,гелиоэнергетическихпредоставленных местнымирасчетов,возможнометеостанциямииспользоватьдляданныеиз БД "Meteonorm".Для области Альта Гуахира рассчитан оптимальный угол наклонаприемной площадки.