Солнечные батарее с концентраторами

Концентраторные фотоэлементы

Пост опубликован: 1 августа, 2020

Концентрация света на фотоэлементах

Среди всех фотоэлектрических модулей, есть один особый вид, в котором органично соединились нововведения из разных областей фотовольтаики – концентраторные солнечные панели (CPV). Благодаря такой хитрой комбинации, эти модули демонстрируют самый высокий КПД среди всех серийно выпускаемых фотоэлектрических панелей.

Как устроены концентраторные фотоэлементы

В основе функционирования концентраторных солнечных панелей лежит постулат, что при увеличении потока электромагнитной радиации, возрастает объём вырабатываемой электроэнергии. Для того, чтобы собрать свет и сфокусировать его в одной точке, обычно используют два метода – зеркальный и линзовый. Однако у второго варианта, есть существенные преимущества.

Начиная с середины 70-х годов прошлого века, в исследовательских лабораториях пытались найти такую форму линзы, которая бы вне зависимости от нахождения источника света, всегда выдерживала фокус в одной точке. Первоначально для этого использовались линзы Френеля. Но потом удалось совместить эти линзы с работами из сегмента анидолической оптики. Ведь для фотоэлемента важно не изображение, а сам факт падения на поверхность концентрированного солнечного света.

Уже в начале 80-х годов, испанцы построили экспериментальную солнечную электростанцию на концентраторных элементах, и несколько лет тестировали такой вариант получения энергии из альтернативного источника. Внося небольшие улучшения и дополнения, к 2015 году в мире насчитывалось несколько десятков промышленных концентраторных фотоэлектростанций, суммарной мощностью более 350 МВт. Плюс 150 МВт мощности были распределены по частному сектору Китая, Японии, США и областям «Золотого банана».

По результатам работ, была сформирована и запатентована уникальная технология, планарного оптического микротрекинга . Встроенная под покровным стеклом оптическая система направляет концентрированные световые лучи непосредственно на массив высокоэффективных солнечных элементов. Интегрированная система слежения держит каждую ячейку в фокусе независимо от положения Солнца.

Дополнительный полезный материал в pdf -файлах прикреплю в комментариях (на английском)

Получающаяся в результате плоская панель сочетает в себе очень высокую эффективность с простотой монтажа на любой стандартной крыше или наземной установке. К 2017 году, КПД концентраторных многопроходных фотоэлементов достигала 44,1% в лабораторных условиях. На электростанциях использующих солнечный свет как альтернативный источник энергии, коэффициент преобразования в среднем держится на уровне 30%.

Но после резкого падения цена на обычные фотоэлементы в 2017 году, рост этого сегмента замедлился, хотя все аналитики сходятся в чрезвычайно перспективности концентраторных фотоэлектрических модулей.

Иммунитет к частичному затенению

Модули CPV менее чувствительны к затенению, чем обычные фотоэлектрические панели, что позволяет использовать их с более высоким коэффициентом покрытия на местности. Тень, закрывающая горизонтальную часть модуля, будет влиять на выработку энергии пропорционально затененной области. Оттенок, покрывающий вертикальную часть модуля, будет влиять на производство энергии с шагом 1/6 от общего объема производства.

Преимущества CPV

Если собирать свет с обширной поверхности, и концентрировано направлять его в одну точку, то для повышения эффективности было бы разумнее использовать фотоэлементы с заведомо большим КПД. Ведь при такой архитектуре заведомо будет уменьшена и общий объём высокоэффективных ячеек. Поэтому в концентраторных фотопанелях используют многопереходные солнечные элементы, которые раньше разрабатывались для космических спутников.

Космические многопроходные ячейки – сердце CPV

Так как вход солнечного света оптически увеличен, модули CPV могут достичь оптимальной эффективности даже с 0,5% поверхности, покрытой солнечными элементами. Такой подход значительно снижает стоимость фотоэлектрической энергии космического класса и позволяет использовать ее в потребительском секторе.

Для модулей CPV требуется меньше полупроводниковых прекурсоров, чем для обычных солнечных элементов, так что использование высококачественных и более мощных полупроводниковых материалов окупается, что, с одной стороны, дороже, но, с другой стороны, также более эффективно.

На практике использование фотоэлектрических концентраторов часто приводит к снижению затрат при увеличении площади модуля. Fraunhofer ISE оценивает экономию материалов в 500 или 1000 раз.

Так называемые многослойные элементы, которые также называют тандемными солнечными элементами или сложенными солнечными элементами, часто используются для концентраторных фотопанелей. Они состоят из двух или более слоев, изготовленных из разных материалов, которые либо механически уложены, либо монолитно сформированы в единый конгломерат и являются неэкономичными для солнечных элементов с полной поверхностью.

Благодаря этому особому устройству эффективность всей ячейки превышает 40 процентов, в то время как обычные кремниевые элементы обычно достигают эффективности около 20 процентов. Несколько ячеек обеспечивают надежную генерацию электричества даже при солнечной радиации, превышающей 500 раз.

Согласно немецким разработчикам, так называемая монолитная тройная ячейка состоит, приблизительно 30 отдельных слоев, которые в виде монокристаллов наносятся на подложку из Германия (Ge химический элемент) — в рамках одного процесса. Такая тройная ячейка преобразует солнечный свет в электричество в трех уровнях:

• верхняя ячейка из фосфида галлия-индия;
• средняя – из арсенида индия-галлия;
• нижняя подложка Ge служит третьим генерирующим уровнем – она активируется при осаждении.

Три субэлемента расположены вертикально и соединены через так называемые туннельные диоды и функциональные полупроводниковые слои.

Как многослойный фотоэлемент усваивает падающий солнечный свет

Самая верхняя часть солнечного элемента концентратора поглощает солнечное излучение с короткими волнами, то есть очень высокоэнергетическим светом. В то время как длинноволновый (низкоэнергетический) свет свободно проникает в нижние слои.

Эти электромагнитные волны поглощаются на втором слое многопроходной ячейки – но только до так называемой длины волны отсечки, которая может быть определена в полупроводниках с использованием энергии запрещенной зоны.

Таким образом, можно наложить любое количество частичных солнечных элементов друг на друга, чтобы повысить эффективность генерации солнечной энергии из альтернативного источника, по сравнению с одиночными фотоячейками. В результате верхние частичные солнечные элементы, которые поглощают коротковолновый свет, подают более высокое напряжение.

Благодаря нижележащим слоям ячейки, которые поглощают длинноволновые световые лучи, общий усваиваемый спектральный диапазон расширяется. Поэтому по сравнению с одним солнечным элементом эффективность преобразования в коротковолновом спектральном диапазоне у многослойных ячеек выше.

Различные полупроводниковые материалы в команде

Как описано выше, несколько элементов или концентратор солнечных элементов часто состоят из полупроводников с III по V групп, периодической таблицы Менделеева, которые расположены здесь, в том числе:

• Фосфид галлия-индия (GaInP),
• Арсенид индия-галлия (GaInAs) и
• Германий (Ge).

Эти полупроводниковые материалы генерируют солнечную энергию, каждый с разным диапазоном длин волн солнечного света.

Технология позволяет получить беспрецедентные результаты для плоской солнечной панели с 30%-ной эффективностью преобразования солнечного света в электроэнергию (300 Вт/м 2 ), в то время как обычные модули достигают в среднем 18%.

Эффективность является ключом к возврату инвестиций, так как позволяет повысить окупаемость солнечной установки.

Экономическая эффективность

Технология концентраторных фотоэлементов повышает выход энергии и окупаемость инвестиций гораздо раньше, при сравнении с возможностями обычных фотоэлектрических модулей:

• На 40% больше выработки электроэнергии;
• Экономия для клиентов монтирующих модули на крышах;
• До 160% больше энергии на м 2 для сельскохозяйственных установок, при размещении на возделываемых полях;

Технология задумана и развивалась с «чистого листа», удерживая главное требование: простота монтажа и высокая энергоэффективность. Отслеживание солнца достигается благодаря тонким встроенным горизонтальным скользящим движениям луча света, без перемещения модуля.

Модули CPV можно легко установить в любой среде, в том числе на крышах, где потребность в высокой эффективности является наиболее сильной.

НАДЕЖНОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ

Ключевые компоненты технологии уже широко распространены и протестированы в особо требовательных приложениях. Оптический слой сделан из полимера, известного своей прочностью и устойчивостью к воздействию ультрафиолетового излучения, в то время как фотоэлектрические элементы космического качества выдерживают экстремальные условия излучения и температуры в спутниковых приложениях.

Надежность была подтверждена несколькими экспериментальными установками в Европе, причем модули устанавливались на открытом воздухе и работали более года без ухудшения качества, успешно выдерживая зимние условия, снегопады, жару и штормы.

Не всё коту масленица, или объективные недостатки CPV

Концентратор солнечных батарей подходит только для регионов с безоблачным небом. Как только свет становится рассеянным, даже когда появляются туманные облака, или небольшая дымка, эффективность ячеек падает почти до нуля, потому что этот свет не может быть сфокусирован.

Поскольку они намного дороже кремниевых модулей, им трудно выдерживать конкуренцию на рынке. Ведь идеальное безоблачное небо чаще всего наблюдается в пустынных регионах, где ограничения в пространстве не играет особо важной роли. Системы CPV работают оптимально, когда годовая прямая солнечная радиация особенно высока, то есть превышает уровень 1800 кВтч/м 2 . Подходящие места включают такие регионы, как:

• южное Средиземноморье;
• Сахару;
• Калахари;
• Среднеазиатские и китайские пустыни и т.п.

Согласно прогнозам экспертов, уже через несколько лет энергия получаемая солнечными концентраторными панелями приведет к общему снижению цен на электроэнергию из альтернативных источников.

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

Источник

Мощная солнечная батарея в комбинации с концентратором

Проведем интересный и важный эксперимент. Перед вами солнечная батарея мощностью 20 Вт. Но в чем фишка? В наших широтах такую мощность получить на ней практически невозможно. Максимум, что мог из нее получил при положении Солнца в зените и перпендикулярном размещении панели, это 12 Вт. 20 Вт она может дать только где-нибудь в Африке. Ну, или, если вылететь с ней в космос.

Проведем эксперимент, чтобы узнать, сможем ли мы получить желаемую мощность батареи, создав установку в комбинации с солнечным концентратором?

На данный момент 10 часов утра, мощность панели – 10 Вт. уже подключил потенциометр, выставил соответствующее сопротивление.

Планируется проверить на сколько возрастет мощность солнечной панели, если немножко подсветим ее концентратором. По идее мощность должна вырасти. Вопрос – на сколько? И второй вопрос – как долго мощность сможет продержаться? Ибо, как знаете, при перегреве, а панель явно будет перегреваться, мощность упадет. Это и проверим.

Экспериментируем с нагревом батареи

Настроил концентратор, чтобы солнечная батарея ни в коем случае на попала в его фокус. Расстояние больше, чем фокус. Панель осветится расходящимися лучами. Температура не более 60°С, руку можно держать. Это все, чтобы не повредить солнечную панель.

Панель пока выдает мощность лишь 4-5 Вт. Попробуем поднять. Максимум, что удалось получить – 15.

Она перегрелась! Причина того, что не получается достичь высоких показателей, это быстрый перегрев. Все, к ней невозможно прикоснуться! Плюс с обратной стороны она тоже перегревается. Это и понятно.

Сама идея подачи большого количества солнечного излучения на панель не новая, но ее нужно хорошо охлаждать, здесь сделать невозможно. Возможно, получится сделать эксперимент на куске алюминиевого радиатора. Наклеить на него панели. Посмотрим. А пока результат слабенький, всего 15 Вт, и то не длительно из-за нагрева.

Занесем в тень, остудим и посмотрим максимальные показатели. И так, решающий момент! Все подключено, панель относительно остыла, концентратор готов. Наводим и быстро смотрим на показатели. Включаем потенциометр. 15.6 ватт максимум. Уже чувствуется жар с обратной стороны. Эксперимент с совмещением солнечного концентратора и батареи завершен.

Видео с канала Игоря Белецкого.

4 комментария

Спасибо за информацию. Я тоже думал над этой идеей, чтобы собирать солнечные лучи в одну точку, точнее в рассеянный пучок. Можно поставить между концентратором и панелью матовое стекло, чтобы свет шел, но не был такого сильного нагрева. Мне кажется, перегрев из-за того, что в отдельных местах неравномерно мощно падает луч.

Муж прочитал вашу статью и теперь хочет выписать из интернета эти элементы. Я ему говорю: зачем что-то выписывать, потом паять, известно что из этого получится. При этом можно просто купить в магазине холодильник. Ну он у меня с детства увлеченный радиолюбитель. Бесполезно его уговаривать на то, чтобы отказаться вот таких поделок. Я уже привыкла даже к запаху канифоли.

От батарей такого размера не стоит ожидать чего-либо. Для дома ничтожно мало. Для похода эффективнее генератор на неодимах с повербанком. Для дома проще нарастить количество элементов, благо стоят они довольно доступно. Я купил 50 ячеек 0,5в 26х76мм за 240р. к ним шину 10м за 250р. паял – спирт+канифоль. использовал 36 шт. Получилось 30х40см примерно. Подложка – композит из мусорки рекламщиков – инкапсулянт – два тюбика эпоксидки за 100р. каждый. Диод из дохлого БП. Контроллер заряда примерно 600р. БУ автомобильный аккум 65Ач – 500р. Итого: сама батарея – 600р. Вся система 1700р. напряжение днем в любую погоду 20-21 вольт в холостую. В пасмурную погоду около 40мА, в солнечную до 600мА доходит. Достаточно для LCD телека 17″ чтоб гонять его весь день, только пришлось на подсветку прикрутить преобразователь чтоб при проседании питания не уменьшалась яркость вечером. Сейчас пришло еще 40 шт ячеек 126х126мм. и набор из шин и чудо-фломастера за 2400р. Буду собирать еще одну солнечную батарею для питания радиатора отопления с термокраской. если получится ОК буду переводить отопление дома на солнечную энергию.

Олег, спасибо за дельные подробные комментарии!

Источник