Главная >  Энергосбережение 

 

Основные направления развития технологической базы фотовольтаических энергетических систем. Одним из основных направлений в области возобновляемых источников энергии является фотоэлектричество. Это связано с такими факторами, как экологическая безопасность и неограниченность запаса солнечной энергии.
Пиковая мощность фотоэлектрических станций составляет 1200 ТВт, а объем вырабатываемой энергии - 2 *10^10 ТВт * ч. Мировой рынок фотоэлектричества очень динамичен. Темп роста объема продаж солнечных элементов составил около 30%.
В настоящее время можно говорить о становлении индустрии фотоэлектричества.
В данной работе проводится анализ основных направлений развития технологической базы фотоэлектрических энергетических систем (ФЭС). Как правило, ФЭС включает следующие элементы: солнечную батарею, инвертор, накопитель, систему контроля.
В зависимости от режима работы ФЭС подразделяют на автономные (с накопителем) и сетевые (накопителем является электрическая сеть).
Технико-экономические характеристики ФЭС, прежде всего, эффективность (КПД) и стоимость определяются солнечной батареей, материалами и технологией их изготовления. Доля себестоимости солнечной батареи в себестоимости ФЭС составляет более 60%. Основным структурным компонентом солнечной батареи (СБ) служит солнечный элемент.

 

С. М. Карабинов

 

Солнечные элементы (СЭ) в зависимости от материала и технологии изготовления, делятся на кремниевые (объемные, тонкопленочные) и СЭ на основе соединений А2В2 , CdS/CdTe, А3В5 и др.
В зависимости от структуры материала СЭ подразделяются на кристаллические; поликристаллические; аморфные.
На показано распределение объемов мирового производства по типам солнечных элементов [1].
В 1997 г. объем производства СЭ составил 125,9 МВт, в том числе монокристаллического кремния - 49%, поликристаллического кремния - 34%, аморфных полупроводников - 12%, других типов СЭ (А3В5 и др.) - 5%.
Монокристаллические кремниевые солнечные элементы.
Наибольшее развитие среди солнечных элементов получили СЭ на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено отработанной технологией получения кремния и выращивания р-п - переходов; высокими параметрами (КПД, стабильностью и надежностью).
Эффективность СЭ на основе c-Si достигает 26%, коммерческие образцы СЭ на c-Si имеют эффективность 14-17%, поликристаллические - 12-14%. Основными направлениями в развитии данной технологии СЭ являются создание эффективных и дешевых технологий получения кремния; повышение эффективности совершенствованием технологии изготовления СЭ, исследованием и созданием комбинированных СЭ и т. п.

 

Солнечные элементы

 

Наибольшее развитие в области тонкопленочных СЭ получили технологии : аморфного кремния; CdS/CdTe; CIS (CuInSe .
Аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) в настоящее время является одним из основных материалов солнечной энергетики. Солнечные батареи из a-Si:H обладают рядом преимуществ: большое значение напряжения холостого хода; возможность нанесения на большие площади: использование в качестве подложек различных материалов (стекло, нержавеющая сталь, полиамид); энерго-, ресурсосберегающая технология; низкая стоимость.
Лучшая эффективность СЭ на основе a-Si:H(13%) получена на элементе с тройным p-i-n.
Основные проблемы в области технологии a-Si:H - повышение стабильности параметров СЭ (создание многопереходных солнечных элементов); повышение эффективности СЭ.

 

Тонкопленочные аморфные солнечные элементы

 

В настоящее время в области тонкопленочных поликристаллических СЭ основной является технология СЭ на основе CdS/CdTe и CIS. Промышленность выпускает солнечные батареи на основе CdS/CdTe с КПД 8% и высокой стабильностью. Эффективность экспериментальных образцов составляет 15-16%.
Интерес к CIS солнечным элементам связан с возможностью получения высокоэффективных СЭ (КПД около 14-16%).
Основные направления исследований в области тонкопленочных поликристаллических СЭ связаны с созданием такой технологии элементов, которая обеспечила бы высокую стабильность параметров и возможность нанесения пленок на поверхности больших размеров.
Технико-экономические показатели СЭ из различных материалов приведены в [1].
Доминирующее положение в технологии солнечных элементов занимают кремниевые (более 80% мирового объема производства).
Основные направления исследований в области кремниевых солнечных элементов связаны, прежде всего, с технологией получения дешевого кремния. Анализ технологии получения кремния показывает, что основная доля его себестоимости закладывается на этапе получения технического кремния. В настоящее время кремний получают по сложной технологической схеме с использованием больших количеств хлора и хлористого водорода, ректификации трихлорсилана и восстановления кремния водородом. Необходимо отметить, что в России практически отсутствует производство чистого технического кремния.
В настоящие время мы разрабатываем новую технологию получения кремния его прямым восстановлением из кварцитов.
Кремний, полученный по такой технологии, как показывают экспериментальные исследования, будет иметь следующие характеристики:

 

Тонкопленочные поликристаллические солнечные элементы

 

Анализ себестоимости технологического процесса показывает, что цена 1 кг технического кремния на начальном этапе не будет превышать 15 долл., что более чем в 2 раза меньше существующей цены. При освоении крупносерийного производства технического кремния его цена может быть снижена еще в 1,5-2 раза.
В дальнейшем технический кремний можно будет использовать для получения поли- и монокристаллического кремния для производства СЭ.
В настоящее время для получения солнечного кремния используются процессы Чохральского, Бриджмена и технология направленной кристаллизации.
Метод Чохральского используют для получения монокристаллического кремния, метод Бриджмена и технологию направленной кристаллизации -для поликристаллического кремния. В приведены сравнительные характеристики методов [2].
Использование новых технологических подходов в получении кремниевых СЭ приведет к снижению их стоимости до 1 долл./Вт и менее.

 

Содержание микропримесей, % ..............<=1*10^-4
Содержание О2 , см ^-3……………………….……..<=1*10^18
Содержание С, см ^-3 ..........................……….<=1*10^16
Диаметр, мм …………………………………………......…>=125

 

В солнечной энергетической установке (СЭУ) инвертор преобразует напряжение постоянного тока, вырабатываемое солнечной батареей или аккумулятором, в напряжение переменного тока требуемой величины и частоты.
Существуют два типа инверторов:

 

Инверторы

 

Инвертор должен обладать следующими характеристиками:

 

инверторы, работающие в автономных источниках (автономные инверторы);
инверторы, обеспечивающие подачу энергии в сеть (сетевые инверторы).

 

высокая надежность и долговечность;
высокие параметры выходного сигнала;
минимальное влияние на параметры сети (при работе с сетью).

 

минимальные потери (КПД не менее 90%);
возможность отбирать максимальную мощность от солнечной j батареи (режим МРР);

 

пиковая способность (от 2 до 4 номинальных мощностей Рп);
низкие потери в режиме ожидания и холостого хода;
регулировка выходного напряжения;
отключение при низком напряжении батарей;
низкое значение разности напряжений у аккумуляторов;
низкий уровень коэффициента гармоник;
высокая эффективность (до 95%);
низкий уровень звуковых и радиочастотных помех [3].

 

В автономных инверторах, как правило, выходной сигнал представляет собой переменное напряжение 220 В и частотой 50 (6 Гц, а на входе постоянное напряжение от аккумулятора составляет 12, 24 или 48 В.
Идеальный автономный инвертор должен иметь следующие свойства:

 

исследования, разработки и освоение в производстве ФЭМ с годовым объемом производства (на период до 2002 г.) солнечных модулей 500 кВт, инверторов до 1 МВт, АИП 200 кВ;
исследования, разработка технологии и освоение производства солнечного кремния. Ожидаемый объем производства солнечного кремния - не менее 100 т/год;
исследования, разработка и освоение производства солнечных элементов из моно- и поликристаллического кремния.

 

Сетевой инвертор преобразует постоянный ток от солнечных батарей в переменный ток, который поступает в сеть. Принципиальным отличием сетевого инвертора от автономного является то, что в первом случае осуществляется синхронизация работы инвертора сетевым напряжением.
Система контроля сетевого инвертора должна защитить от короткого замыкания по постоянному току, от потери фазы и т.д.
Как правило, на вход сетевого инвертора подается напряжение постоянного тока от 350 до 800 В. Эффективность сетевых инверторов составляет более 90%.
Эффективность преобразования инверторов во многом определяется характеристиками силовых ключевых элементов. В инверторах используют МДП-транзисторы, IGBT-транзисторы, тиристоры.
МДП-транзисторы применяют в инверторах мощностью не более 5 кВА. Основное преимущество - низкие потери на высоких частотах. Однако МДП-транзисторы по своим предельным энергетическим параметрам значительно уступают биполярным приборам.
Создание IGBT-транзисторов позволило решить проблему коммутации больших токов (до сотен ампер) при напряжении около 1000 В. При этом входные емкости приборов меньше, чем у мощных МДП-транзисторов, и значение сопротивления канала достигает тысячных долей ома. Это позволяет создавать инверторы с ЮВТ-транзисторами до 200 кВт.
При небольшой и средней мощности, когда не предъявляются высокие требования к выходному сигналу, в качестве ключевых элементов могут быть использованы тиристоры.
При работе в ФЭС необходимо обеспечить режим отбора максимальной мощности в нагрузку (режим МРР). Эта проблема решается использованием экстремального регулятора (ЭР).
Мы предлагаем подход к созданию ЭР, обеспечивающему значительное упрощение конструкции и улучшение его удельных характеристик [4].
В предложенном нами варианте ЭР оптимальный режим работы сочетается с простотой конструкции, не требующей применения транзисторов, датчиков Холла и сильноточных цепей со стабилизаторами, что предопределяет минимальные затраты мощности на обеспечение необходимого режима работы.
Анализ технологической базы, существующей на предприятиях электронной промышленности в России, позволил нам создать программу Солнечная энергетика .
В настоящее время освоено производство фотоэлектрических модулей (ФЭМ) на монокристаллическом кремнии с годовым объемом производства около 500 кВт, инверторов, разработан ряд АИП. Параметры изделий приведены в ,, .
Целью программы Солнечная энергетика являются исследования, разработки и освоение в производстве конкурентоспособных фотоэлектрических энергетических систем, удовлетворяющих потребность российского и внешнего рынков. Программа состоит из нескольких этапов. Основные направления реализации I этапа программы:

 

Список литературы

 

Ожидаемый объем производства: монокристаллический кремний - 2 млн. шт., поликристаллический кремний - 3 млн. шт. исследования, разработка и освоение производства комплектующих для АИП и инверторов (IGBT- транзисторы , экстремальные регуляторы, диоды и т.п.) В дальнейшем программа нацелена на создание производственного потенциала с годовым объемом производства изделий солнечной энергетики до 30 МВт в год.

 

 

Maycock. International Photovoltaic Markets, Developments and Trends Forecast to 201 - lst WCPEC, Hawaii, 1994.
Silicon wafers for Photovoltaics. Technical Information. Bayer Solar GmbH.
Sick F, Erge T. Photovoltaics in Buildings. A Design Handbook for Architects and Engineers. 199 P. 53-67.
Карабанов С. М., Симкин В.В. Патент РФ № 2117983.

 

 

Ограничение на использование кво. КУДРЯ С. СИСТЕМЫ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИНХ. Центр солнечной энергии. Современные комплексы интеллекту.

 

Главная >  Энергосбережение 

0.01