Солнечная энергия. Общая информация.

 

Солнце – это один из самых доступных неисчерпаемых источников энергии для современного человечества.

Преимущества солнечной энергетики очевидны:

- Солнечная энергия бесконечна. Солнце, находясь в середине своего жизненного цикла, и будет активно еще миллиарды лет.

- Количество солнечной энергии огромно. Солнце посылает на Землю, в течение 20 минут столько энергии, сколько все население Земли может потребить в течение года.

- Способы производства электроэнергии на традиционной основе  и транспортировка ее конечному потребителю крайне неэффективна. Потери достигают 80%.

- Солнечная энергия доступна практически везде. И способ ее генерации предполагает минимальные потери при транспортировке, т.к. ее производство возможно там же где и использование. Современное массовое производство солнечных элементов уже достигло показателей в 20% эффективности.

 - Si – кремний – один из основных полупроводниковых элементов используемый в производстве  современных фотопреобразователей. По распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Традиционные же источники энергии- углеводороды (уголь, газ, нефть) конечны, и запасы их с каждым годом истощаются.

 

- Генерация солнечной энергии посредством фотопреобразования, является абсолютно экологически чистым процессом. Не осуществляются выбросы углекислого газа, не производятся ядерные отходы и не загрязняется окружающая среда. 

- Солнечная энергия уже сегодня, во многих регионах мира, становиться дешевле энергии, получаемой из традиционных источников. Особенно если в рассмотрение берутся все потери процессов традиционной энергетики, затраты на компенсации по ограничению выбросов парникового газа, затраты на утилизацию отходов атомной энергетики.

- Банк Sarasin в последнем исследовании  говорит об огромных возможностях солнечной энергетики и отмечает достижение паритета (равенства) цен между традиционной и альтернативной энергией по отдельным регионам уже в настоящее время, и предсказывает огромный потенциалом этой отрасли в ближайшие 5 лет.

- Для многих территорий (отдаленные и слабозаселенные области,  экономически слаборазвитые районы), куда нецелесообразно и слишком дорого транспортировать традиционную электроэнергию, солнечная энергия, как один из альтернативных источников, становится единственным доступным и эффективным.

- Солнечная энергия позволяет быть энергетически независимым: получать качественную электроэнергию независимо от качества существующих электросетей

- Солнечная энергия делает Вас свободными в передвижении, т.к. она доступна в походах и путешествиях в отдаленные от цивилизации места.

- Во многих странах предусмотрены программы развития солнечной энергетики, которые предполагают выплату преференций владельцам солнечных систем. Таким образом, инвестирование в солнечную энергетику является прибыльным.

- В России закон о возобновляемой энергетике принят в2010 г, но реальное его применение в индустриальном масштабе, нам предстоит увидеть в самое ближайшее время. Сетевые компании уже сейчас обязаны разрабатывать и принимать программы компенсации потерь при транспортировке электроэнергии из альтернативных- возобновляемых источников энергии.

Как Вы видите, устанавливая свою собственную систему солнечной генерации электроэнергии, Вы не только решаете вопросы своей энергоэффективности и независимости, но так же производите «чистую энергию», защищаете окружающую среду, сохраняете ископаемые ресурсы, инвестируете в свое будущее и будущее своих детей.

Прогноз Международного энергетического агентства (МЭА) показывает тенденцию изменения мировой структуры энергетического баланса в сторону повышения энергоэффективности, увеличения использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), более широкого применения современных технологий улавливания СО2, а также перехода на новые виды топлива на транспорте. Эти изменения позволят диверсифицировать топливно-энергетические комплексы стран, значительно снизить выбросы парниковых газов.

Солнечная энергетика может стать генератором обновленного экономического роста, какими в свое время были паровой двигатель, автомобиль, компьютер.

 

Каковы же основные, современные технологии для получение электроэнергии из энергии солнца?

В системах солнечной генерации преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП). В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения ФЭП:
ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния;
ФЭП второго поколения на основе тонких пленок;
ФЭП третьего поколения на основе органических и неорганических материалов.

 

Самой массовой технологией является производство ФЭП на основе кристаллического кремния. На эту технологию  приходится 85-90% всех солнечных систем.

Поскольку технология кристаллического кремния является ведущей, то далее речь пойдет о ней.

Как же выглядит процесс производства солнечных модулей?

Первый этап - Производство поликремния (99,9999% содерж Si) из кремний содержащих неорганических соединений (например – трихлорсилан), является началом большой и сложной технологической цепи в создании солнечного элемента и модуля

Второй этап - Выращивание слитков кристаллического кремния в специальных печах, по разным технологиям. Основные, массовые технологии:

- (А) выращивание монокристаллов по методу Чохральского;

- (Б) выращивание мультикристаллов по методу направленной кристаллизации.  Наличие разных технологических подходов оправдано борьбой двух извечных направлений: (А) совершенство кристаллической структуры и большая эффективность солнечного элемента и (Б) максимальная производительность (слитки до 1т против 200-300 кгдля монокремния) при несколько меньшей эффективности солнечных элементов. Текущая разница в кпд солнечных элементах для моно и мульти технологии составляет не более 1-2 процентов

На третьем этапе выращенные слитки проходят механическую обработку (квадратируются, шлифуются) и полученные в результате такой обработки квадратные колонны режутся на станках проволочной резки  на тонкие пластины (180-200 микрон).

Четвертый этап – процесс создания солнечного элемента из кристаллической пластины (массовый форм фактор156 ммх 156мм х 200мкм).

Полученные в процесс резки слитков кремния пластины очищаются от следов реза. Путем химического травления, с поверхности пластины, удаляется нарушенный слой. Затем на поверхности пластины, используя особенное свойство кристаллической структуры,  проводят селективное химическое травления для создания так называемой текстурированной поверхности, для существенного увеличения площади поверхности, а значит и увеличения поглощения света солнечным элементом.  Посредством фосфорной диффузии создается p/n переход, для создания будущей электро- цепи солнечного элемента. Далее слой фосфорного стекла, созданный при диффузии, удаляется и наносится слой антиотражающего покрытия, сокращающий оптические потери и обеспечивающий электрическую пассивацию созданного слоя. Затем происходит металлизация – нанесение токосьемных дорожек, лицевой поверхности пластины – серебром, а тыльной поверхности. И наконец, готовый элемент проверяется по всем электрофизическим параметрам и эффективности. Процесс производства солнечных элементов высокотехнологичен. Это концентрация самых современных технологий и разработок.

На заключительном- пятом этапе, солнечные элементы соединяются на рамке в солнечный модуль. Процесс сборки модуля полностью автоматизирован. Элементы запаиваются в цепи или «нитки», которые затем соединяются в матрицу, состоящую, к примеру, из 60 солнечных элементов для стандартного 200-250 ватт модуля. Далее матрица заключается под слой из стекла и 3-х пленок, которые ламинируются в вакуумной печи при температуре 160 С и благодаря этому солнечный модуль приобретает герметичность и устойчивость к различным погодным условиям. После установки разъемов для подключения, модуль размещается в прочную алюминиевую раму. Последним этапом процесса сборки модуля является контрольное измерение работы модуля в тестовых условиях.

 

Как же работает технология получения энергии от солнца?

Когда солнечный свет достигает ФЭП или солнечный элемент, фотоны света сталкиваясь с атомами кремния, передают часть энергии и возбуждают электроны. Высвободившиеся электроны устремляются к отрицательному электроду, созданному p/n переходом. В итоге генерируется электрический ток для питания внешней нагрузки.

 

(отрицательный электрод, отрицательно заряженный кремний, граничный слой, положительно заряженный кремний, положительный электрод)

 

Количество сгенерированного электричества зависит от продолжительности и интенсивности солнечного излучения направленного на солнечный элемент. Величина солнечной радиации на горизонтальную поверхность колеблется от 500 до 2500 кВ/ч / м2 в зависимости от географического местоположения и времени года. Кроме того, на выработку электроэнергии влияет ориентация солнечного элемента и модуля по отношению к солнечным лучам. А именно наклон солнечного модуля и его направленность по азимуту. 

 

Варианты солнечных электростанций

Существует 2 основных типа солнечных систем в зависимости от их связи с внешней электросетью – автономные солнечные системы (off grid) и сетевые (on grid).

Автономные системы, в свою очередь, подразделяются на автономные системы постоянного тока и автономные системы переменного тока.

В автономных солнечных системах постоянного тока вырабатываемый постоянный ток сразу используется для питания нагрузки. Избыточная мощность хранится в аккумуляторной батарее, ток заряда которой управляется контроллером заряда. Такие системы применяются в кемпингах, автофургонах, на плавательных средствах, на фермах или для питания удаленных телекоммуникационных установок (на постоянном токе).

Автономная система переменного тока включает в себя дополнительный элемент- инвертер (DC/AC преобразователь), который преобразует постоянный ток в переменный для обеспечения необходимых характеристик по частоте и напряжению для нагрузки переменного тока

Автономная/резервная солнечная система эффективна в том случае, когда:

- возможность получение электроэнергии от внешней сети либо невозможно, либо чрезвычайно затратное;

- электроснабжение от внешних сетей некачественное и происходит со сбоями

2. Сетевые солнечные системы составляют основу солнечной энергетики в мире. И предполагают продажу сгенерированной солнечной электроэнергии во внешние сети по специальному (во многих случаях премиальному тарифу – feed in tariff). Для частного домовладения в Европе, США, Китае, Японии, Южной Кореи и многих странах Юго-Восточной Азии, в части стран Африки и Южной Америки, предполагается установка двух приборов учета. Один - для потребления из внешней сети, а другой для продажи сгенерированной солнечной энергии во внешние сети.

При этом построение сетевых систем может быть разное: как с «приоритетом на использование» сгенерированной солнечной электроэнергии, так и совершенно независимые системы «только на продажу».

Возможно создание гибридных систем генерации, состоящих из разных источников энергии: солнечные электроэнергия, ветряные турбины, дизель-генераторы и проч.