ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

. СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ

В настоящее время на практике применяется несколько типов солнечных модулей. Наиболее распространены «классические» модули, собранные из от­дельных солнечных элементов, изготовленных по описанной в главе 8 техноло­гии на пластинах монокристаллического либо пол и кристаллического кремния. Эти элементы механически непрочны, использоваться поодиночке не могут. Поэтому их группируют в модули.

Технология сборки солнечных элементов в модули существенно зависит от типа и конструкции самого фотоэлемента. Вопросы сборки элементов в мо­дули мы рассмотрим применительно к стандартным, на сегодняшний день наи­более часто применяемым планарным солнечным элементам. Наиболее рас­пространенная конструкция фотоэлектрического модуля такого типа приведена на рис. 10.1.

Солнечный элемент

Процесс изготовления модулей состоит из нескольких этапов.

Перед соединением в группы на каждом элементе создают монтажные шины. Солнечный элемент с напаянной шиной изображен на рис. 10.2.

После присоединения монтажной шины заготовки подвергают очистке ультразвуком в нагретой до 60°С воде. После тщательной очистки и сушки эле­менты группируются в линейки (рис. 10.3,а) и полноразмерные модули (рис. 10.3,6).

До сборки в модуль каждый элемент проходит тестирование, проверку основных параметров, указанных в главе 8. Элементы, не соответствующие за­данным параметрам, отбраковываются. Прошедшие тест-контроль солнечные элементы укладываются друг к другу плотно, без просветов. После установки на место элементы по заданной геометрии соединяются последовательно­параллельно, чтобы обеспечить необходимое напряжение и мощность модуля. Максимальная мощность модуля зависит, прежде всего, от общей площади фо­тоэлементов, фактически от размера модуля.

При всех операциях с элементами в процессе сборки обычно используют­ся специальные пневматические инструменты-захваты. Это обеспечивает со­хранение чистоты и целостности солнечных элементов. В процессе изготовле­ния модулей используется закаленное (упрочненное) солнечное стекло с низ­ким содержанием железа. Это стекло должно быть противоударным до такой степени, чтобы противостоять воздействиям даже граду относительно большо­го размера. Далее стекло покрывается пленкой EVA (эти лвини л ацетат), а на стекле располагаются соединенные между собой фотоэлементы. Такая панель, изготовленная в Jiaxing (Китай), показана на рис. 18.19. Некоторые детали по­следовательного соединения как с передней, так и тыльной стороны показаны на рис. 18.20 и 18.21. Металлическая полоса соединяет передние контакты од­ной ячейки с обратным полноразмерным (сплошным) контактом другого эле­мента. Другая пленка EVA укладывается поверх соединенных между собой фо­тоэлементов, а обратная сторона обычно изготавливается из композитного ла­мината PVF-PET-PVF (поливинилиденфлуорид-полиэтиленэтерофтолат- поливинилиденфлуорид). Затем объем между этими слоями вакуумируется и панель нагревается до температуры, превышающей точку плавления фольги EVA. Во время этой тепловой обработки этилвинилацетат плавится и заполняет объем вокруг фотоэлемента между передним стеклом и тыльной ламинатной стенкой модуля. Наконец, панель заключается в рамку и запечатывается сили­коновым герметиком в алюминиевую раму, оборудованную коробкой с выход­ными контактами (рис. 10.4)

Полностью смонтированные панели герметизируются с целью предот­вращения проникновения воды или других веществ. Длительность работы вы­сококачественных панелей на основе монокристаллического кремния обычно составляет 20 - 25 лет. Внешний вид законченного в изготовлении модуля можно видеть на рис. 10.5.

Стандартная фотоэлектрическая панель на основе монокристаллического кремния, установленная на вертикальной стене, показана на рис. 10.6. На рис. 18.22 показан резак фольги EVA, используемый для подгонки размеров, а рис. 18.23 представляет упомянутое выше устройство для нагревания фото­электрической панели выше точки плавления фольги.

Таким образом, формирование солнечных станций на базе классических солнечных элементов на кремнии, рассмотренных в главе 8, идет по схеме «элемент-модуль-батарея» (рис. 10.7).

Панели на основе соединенных между собой сферических р-n переходов на монокристаллическом кремнии являются интересной новинкой. Эта техно­логия известна уже несколько лет, но только недавно началось коммерческое производство панелей на ее основе. Эти панели могут быть твердыми, со стек­лянной передней панелью, или гибкими, заключенными в капсулу обычно с тефлоном с лицевой стороны. Кремниевые сферы диаметром приблизительно 0,6 мм состоят из ядра p-типа, окруженного внешним слоем n-типного кремния таким образом, что между ними образуется сферический р-n переход ниже их поверхности. Сферы производятся путем подачи капель расплава легированно­го примесью p-типа из капилляра, таким образом, что капли затвердевают во время падения. Затем имеет место диффузия, и внешний слой сферы легируется примесью п-типа.

Сферы фиксируются в отверстиях в алюминиевой фольге. Отверстия имеют меньший диаметр, чем сферы, что не дает возможности последним про­никать через них. Каждое отверстие расположено в маленькой чаше, для каж­дой сферы чаша формирует небольшой параболический концентратор излуче­ния. Алюминиевая структура формирует отрицательный электрод. В более низ­кой части сферы область n-типа удаляется травлением, и контакты вводятся в слой p-типа, благодаря чему формируется другой, положительный электрод. Это устройство схематично показано на рис. 10.8. Весь элемент заключается в кожух, что обеспечивает изготовление твердых или гибких панелей или эле­ментов различных размеров. Гибкие элементы могут быть скатаны и использо­ваться для полевой работы. Преимущества модулей со сферическими элемен­тами заключаются в том, что они отличаются гибкостью и имеют низкий вес. Но самое большое их преимущество состоит в том, что для их производства требуется в семь раз меньше кремния по сравнению со стандартными модуля­ми. Однако в отсутствие детальных знаний этой специфической технологии мы не можем оценить, перевешивают ли их преимущества имеющиеся недостатки. При высоких углах падения света эффект фокусирования концентрированного излучения на сферу подавлен, что ведет к понижению эффективности всего мо­дуля. Поэтому было бы полезно применить автоматическое устройство слеже­ния за солнцем совместно с этими модулями. Эффективность рассмотренных модулей пока низка и составляет приблизительно 14 %. Однако разработчики полагают, что в свое время они будут в состоянии достигнуть КПД прибли­зительно 18 %, что сопоставимо со стандартными модулями. Пример гибкой панели, произведенной компанией Spheral Solar Power, который был экспони­рован на Парижской выставке в 2004 г., приведен на рис. 10.8. Собственно ячейка показана на рис. 18.25. Детальное изображение твердой ячейки про­изводства компании Фуджи, представленной на Шанхайской конференции в 2005 г., приведено на рис. 18.26. Кремниевые сферы и концентраторы видны достаточно четко.

Примеры мобильных гибких модулей на основе тонких кремниевых слоев представлены на рис. 18.27 и 18.28. Панели экспонировались в Дрезде­не в 2006 г. ив Милане в 2007 г. Гибкие модули высокого качества производят 122

солнечное излучение

и в России. Например компания Телеком СТВ (Москва) на выставке Inter - SolarEurope-2012 (Мюнхен, ФРГ) демонстрировала гибкие модули собственно­го производства.

Максимальная выработка электроэнергии с помощью фотоэлектрических модулей в 2005 г. превысила 1000 МВт (в 2012 г. 28000 МВт). Возможно, было бы полезно отметить главных производителей фотоэлектрических элементов и модулей. Диаграмма, представленная на рис. 10.10, основана на информации

из журнала «Photon International». Из нее видно, что фотоэлектрические моду­ли, произведенные фирмой Sharp, составляют больше, чем одну четверть гло­бального производства. В настоящее время производство их в Китае растет стремительно.

Китайская доля на рынке увеличивается заметно, и есть верный признак того, что эта тенденция продолжится. Произведенные модули имеют обычно высокое качество и оцениваются высоко. Тот факт, что китайские фирмы все больше принимают участие в выставках, подтверждает понимание их постоян­но возрастающей значимости.

Массовое производство фотоэлектрических модулей в Чешской респуб­лике началось в 2005 г. Немецкая компании RWE-SCHOTT имеет завод в ValaSske Mezincf в Моравии. Японская компания Kyocera построила новую фабрику недалеко от населенного пункта Kadan. Вопросы, связанные с произ­водством солнечных модулей в России, уже рассматривались в главе 2, а также представлены на рис. 18.119.

Объемы производства модулей различными предприятиями достаточно интенсивно изменяются в зависимости от разных факторов. Наиболее значимые производители фотоэлектрических модулей по состоянию на 2005 г. приведены на рис. 10.10.

Разрабатываемые в последнее время новые двусторонние фотоэлектриче­ские панели имеют преимущество перед фотоэлектрическими модулями, разра­ботанными до этого времени. Было доказано, что их использование выгодно. Иногда двусторонние и односторонние модули стоят почти одинаково. Отличие в производстве двусторонних модулей от производства стандартных панелей, заключается в том, что у двусторонних элементов тыльная сторона выполнена из прозрачного ламината, а тыльные контакты изготовлены не в полноразмер­ном варианте (сплошные), как у стандартных односторонних элементов, а представляют собой контактную сетку, аналогичную располагаемой на лице­вой панели.

Модуль оптимизирован по потоку радиации, поступающей на переднюю сторону, но фотоэлектрическая эффективность радиации, поступающей на об­ратную сторону, всего лишь немного ниже. Кроме того, двусторонние модули на основе c-Si прозрачны для излучения в инфракрасной области спектра с длинами волны X > 1100 нм, то есть для энергий фотонов ниже, чем ширина за­прещенной зоны кремния. Эта радиация составляет не более чем 20 % общего потока солнечной энергии. Пропорционально меньше радиации, преобразован­ной в теплоту, будет поглощено двусторонними фотоэлементами по сравнению со стандартными. Поэтому рабочая температура модулей на основе двусторон­них элементов будет всегда ниже. Это связано с более высокой эффективно­стью фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Указанный факт согласуется с теорией полупроводников и был подтвержден экспериментально. Собственно двусторонняя панель показана на рис. 18.24, а двусторонний сол­нечный элемент на рис. 18.113.

Распределение объемов производства солнечных панелей по странам ми­ра можно видеть на рис. 18.120. Этот рисунок иллюстрирует стремительный рост объемов их производства во всем мире, при этом отдельно следует отме­тить опережающие темпы роста производства панелей в Китайской Народной Республике. Если в начале века этот показатель был вообще незаметен, то сего­дня объем выпуска панелей в КНР вместе с Тайванем превосходит объем про­изводства ФЭМ в Европе, США и Японии вместе взятых.

Общие производственные мощности для производства солнечных бата­рей в России около 20 МВт/год, а реально производится около 5 МВт/год. По­тенциал выпуска солнечных модулей в России существенно превосходит объем выпускаемой продукции (рис. 18.119). Это означает, что при увеличении спроса на солнечные модули и элементы на рынке российская промышленность в со­стоянии оперативно отреагировать на рыночный спрос.

До настоящего времени промышленностью практически всех стран мира выпускаются солнечные модули, собранные из планарных фотоэлементов, а применяемые технологии представляются приемлемыми.

Наиболее распространенной, как уже указывалось выше, является техно­логия ламинирования с применением пленок на основе сополимера этилена с винилацетатом (EVA).

Основными недостатками этой технологии являются высокая энергоем­кость процесса, ограниченный срок эффективной эксплуатации модуля (20 лет), обусловленный недостаточной свето-, термо - и атмосферостойкостью, высокой коррозионной активностью EVA, а также невозможностью использования та­ких модулей в системах с концентрацией солнечного излучения, превышающей 1,5-кратную [76, 118].

В последние годы широкое распространение получили модули на основе тонкопленочного аморфного кремния. Эти модули характеризуются тем, что они не собираются из отдельных, заранее изготовленных солнечных элементов,

Рис. 10.11. Структура пленочных фотоэлектрических панелей на основе только
аморфного (а) и аморфного и микрокристаллического (6) кремния:
а - одинарный переход a-Si; 6 - двойной переход a-Si/ p-cSi;

1 - переднее стекло; 2 - передний контакт ZnO; 3 - задний контакт ZnO;

4 - отражатель; 5 - заднее стекло

а изготавливаются целиком на специальных стеклах большой площади. Такие модули, установленные на солнечной станции вблизи города Гота (ФРГ, Тюрин­гия), можно видеть на рис. 18.144. Панели производятся как только на аморфном (рис. lO. l 1, а), так и на аморфном и микрокристаллическом (рис. 10.11, б) крем­нии. В последнем случае панели обладают более высоким КПД.

Такие модули получили широкое распространение только в последнее время, но установленная мощность СЭС на их основе постоянно возрастает. На рис. 18.145 представлено изображение общего вида уже упоминавшейся выше солнечной станции вблизи города Гота в ФРГ, а на рис. 18.146 показано мон­тажное устройство для установки модулей в составе солнечной станции. Как мы видим, это очень простая конструкция. В значительной степени благодаря этой простоте СЭС «Гота» была смонтирована и запущена в эксплуатацию в течение всего двух месяцев.

Производство рассмотренных выше модулей представляет собой до­статочно сложный комплекс (рис. 10.12). На рис. 18.122 представлен внешний вид производственных участков на предприятии по производству пленочных модулей.

В последние годы в мировой практике получили достаточно широкое распространение так называемые ФЭТ технологии (PV Thermal Technologies) [119, 120, 122 - 124, 126, 128]. Фотоэлектрический тепловой (ФЭТ) модуль представляет собой устройство, объединяющее в себе и фотоэлектрический мо­дуль, и гелиоводонагреватель (рис. 10.13).

Таким образом, фотоэлектрические тепловые (ФЭТ) модули представ­ляют собой устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую с помощью фотоэлектрических (ФЭ) элементов и в тепловую с помощью теплового поглощающего элемента (абсорбера), т. е. ФЭТ устройство позволяет

получать не только электрический ток, но и горячую воду одновременно. ФЭТ системы имеют большие перспективы практического использования, особенно в автономных системах энергоснабжения жилых малоэтажных зданий.

ФЭТ устройства могут сильно отличаться по конструкции: домашние ФЭТ системы горячего водоснабжения [161], вентилируемые ФЭ фасады или активно охлаждаемые системы с солнечными концентраторами [119, 120].

Различные вопросы, связанные с конструкцией ФЭТ модулей и их пара­метрами в различных условиях эксплуатации, рассмотрены в ряде обзорных ра­бот, например в [158 - 160].

Некоторые примеры практического применения ФЭТ модулей приведены на рис. 18.156 (жидкостные ФЭТ системы) и на рис. 18.157 (воздушные ФЭТ системы).

Для ФЭТ модулей важно определить предельные значения распределения приходящей солнечной радиации на выработку электроэнергии, с одной сторо­ны, и горячей воды, с другой стороны. Это соотношение в первую очередь оп-

ределяется природой самого солнечного излучения (спектральный состав) [138, 139] и параметрами полупроводникового материала, на основе которого вы­полнены солнечные элементы. Специально выполненные исследования позво­лили оценить это соотношение [130].

В ВИЭСХе проведен комплекс научно-исследовательских работ по изу­чению параметров ФЭТ модулей в различных условиях. Для этого была разра­ботана специальная аппаратура [126, 157], которая обеспечивала проведение испытаний ФЭТ модулей в натурных условиях при постоянном контроле ме­теопараметров, в том числе уровня приходящей солнечной радиации.

Рассмотрены системы энергоснабжения на основе когенерационных ФЭТ модулей с тепловыми насосами [131]. Разработана математическая модель ФЭТ модуля, функционирующего в составе комбинированной системы теплоснаб­жения на основе теплового насоса [132].