ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ. ПОВЫШЕНИЯ ВЫРАБОТКИ СЭС

В этой главе мы рассмотрим подходы и технологии, которые могли бы увеличивать объем выработанной энергии. В следующих главах (14 и 15) рас­сматриваются системы слежения за Солнцем и автоматические стенды со сле­жением для фотоэлектрических панелей. Известно, что эти устройства позво­ляют увеличить количество произведенной энергии на 40%. Однако здесь будут рассмотрены другие достаточно эффективные подходы.

Очень часто для увеличения эффективности солнечных энергетических установок используется концентрация солнечного излучения. Известно и опи­сано множество устройств, которые можно использовать для концентрации оптического, и солнечного в частности, излучения [68]. Концентратор с плос­кими зеркалами может быть устроен в форме лотка [30, 31] или гребня. Фото­электрическая система с концентратором типа «лоток» показана на рис. 18.61. Фотоэлектрические панели с подобным концентратором приведены на рис. 18.62. Степень концентрации (с = 2-=-2,4) для стандартного V-образного лотко­вого концентратора относительно высока и при стандартной интенсивности прямой солнечной радиации приводит к перегреванию, постепенной деграда­ции и потемнению EVA-фольги на фотоэлектрических панелях (см. главу 10). Концентрация излучения приводит и к деградации ламината. В связи с этим происходит потемнение EVA-фольги, что уменьшает ее прозрачность и, как следствие, эффективность всей системы. Кроме того, панели под воздействи­ем концентрированного излучения нагреваются больше. Этот эффект, соглас­но теории полупроводников, ведет к уменьшению коэффициента фотоэлек­трического преобразования, и как следствие, более высокой температуре фо­тоэлементов. Поэтому система, устроенная таким образом, больше подходит для эксплуатации в более высоких географических широтах с постоянно низ­кой интенсивностью солнечного излучения и с более низкой температурой ок­ружающей среды.

Эти недостатки устраняются путем применения новой конфигурации солнечной энергетической системы, использующей концентратор гребнеобраз­ного типа [2, 14, 28, 29]. Наша система объединяет относительно дешевую си­стему слежения за Солнцем типа TRAXLE™ (см. главу 15) с дополнительными зеркалами, внешние из которых полностью удалены. Внутренний ряд зеркал в форме гребня (рис. 12.1) работает как умеренный концентратор излучения с коэффициентом концентрации с =1.6-ь 1.7.

подставка
крепление

прокладка

внешний вид

Рис. 12.1. Схема фотоэлектрической системы с гребнеобразным концентратором излучения

В системах слежения по одной оси с горизонтальными и полярными ося­ми зеркало должно быть продлено за пределы фотоэлектрических панелей (рис. 12.1). Это обеспечивает однородное освещение для различных сезонов, когда угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью движения Солнца по небу изменяется. В расширении зеркал нет необходимости для систем сле­жения за Солнцем с полярной осью и приспособлением для изменения наклона оси в разные сезоны. На рис. 12.1 приведены схемы передней части системы и системы в разрезе. Угол между зеркалами должен быть выбран так, чтобы от­раженная радиация поступала на зеркало однородно по всей поверхности пане­лей, как это изображено на рисунке. Такая новая конструкция улучшает поток воздуха вокруг коллектора по сравнению с U-образным лотком. Солнечные мо­дули, таким образом, более эффективно охлаждаются и не перегреваются. Дей­ствующие гребневые концентраторы излучения показаны на рис. 18.57 - 18.60. Фотоэлектрическая система, установленная и испытанная в Чешском Универ­ситете сельского хозяйства (г. Прага), изображена на рис. 18.98. Другим пре­имуществом плоских зеркал является то, что они концентрируют не только прямую солнечную радиацию, но и диффузную составляющую солнечной ра­диации.

Новый подвижный концентратор, установленный на платформе слеже­ния, может увеличивать выработку электроэнергии на 100% по сравнению с конфигурацией, в которой те же самые панели установлены на стационарных платформах. Повышение до 100% возможно для сухого, солнечного климата (например, в Северной Африке, на Юге Испании, в Аравии, в Аризоне, в За­падной Австралии, Средней Азии и т. д.). Повышение до 70% возможно для I (ентральной Европы в период солнечных летних дней. Учитывая, что интеграл

W - fPdt, упомянутый выше, соответствует области под кривой, это повы­

ла

піение можно ясно представить себе из рассмотрения рис. 12.2. Несколько более

низкая выработка при использовании системы слежения в полдень объясняется тем фактом, что подвижные модули всегда ориентированы на Солнце, т. е. пер­пендикулярно солнечной радиации, и поэтому они нагреваются до более высо­кой температуры. Эта потеря незначительна по сравнению с повышением вы­работки вследствие использования автоматической ориентации панелей.

Средние концентраторы для фотоэлектрического применения не требуют специальных и дорогих зеркал. Однако зеркала должны противостоять влиянию погодных факторов в течение, по крайней мере, десяти лет и должны сохранять общую отражательную способность для фотонов в интервале длин волн Л = (300 - г 1400) нанометров. Для наиболее употребительных кремниевых фо­тоэлектрических модулей этот интервал уменьшается до Л = (300-И 100) нано­метров. Верхний предел длины волны задается шириной запрещенной зоны со­ответствующего полупроводника (см. главу 7), нижний предел задается про­зрачностью озонового слоя в верхних слоях атмосферы.

Зеркало может быть изготовлено из различных материалов, например:

а) листа нержавеющей стали со специальной обработкой поверхности [32];

б) алюминиевого листа, защищенного против погодных эффектов слоем

полимера (PVF) [32, 33];

в) акриловой фольги, покрытой серебром [34];

г) акриловой фольги, покрытой алюминием [32].

В настоящее время стеклянные зеркала и зеркала группы в) представляют­ся наилучшим решением с точки зрения соотношения «отражательная способ­ность-цена». Вместо слоя из PVF-лака [32] алюминиевое зеркало может быть

защищено прозрачной, самоклеющейся фольгой PVF. Производство самопод­держивающихся, гнутых зеркал из металлического листа достаточно просто.

Новый мобильный концентратор весьма компактен, прост и надежен. Мы успешно проверили это на многочисленных стендах с TRAXLE™ системой слежения. В отличие от U-образного концентратора-лотка никаких других сис­тем поддержки зеркала не требуется. Кроме того, моменты сил, вызванных вет­ром, в этом концентраторе заметно ниже. Стандартная версия подвижного кон­центратора могла быть использована для создания солнечных систем различно­го размера, от двух маленьких фотоэлектрических модулей (50 Вт) до больших систем, например, с десятью большими фотоэлектрическими модулями (200 Вт). Большая система со слежением с десятью фотоэлектрическими модулями в смысле выработки энергии в сухие солнечные дни эквивалентна стационарной системе с 18 аналогичными фотоэлектрическими модулями. Приспособить кон­центраторы гребнеобразного типа к солнечным энергетическим системам раз­личных конструкций очень просто. Они могут использоваться в одноосных сис­темах слежения с горизонтальными и полярными осями, в двухосевых системах слежения, а также в системах с вертикальной осью, с углом поворота 360°, кото­рые применимы за полярным кругом или в космосе [19].

Поверхность зеркала не должна быть яркой; матовая поверхность зеркала имеет преимущество, поскольку концентрирует излучение в непосредственной близости и не ослепляет отражением на более длинных расстояниях.

Использование двусторонних фотоэлектрических панелей в солнечных фотоэлектрических системах - другая конструктивная возможность. Конструк­ции двусторонних модулей уже обсуждались в главе 10. В настоящее время та­кие панели производятся многими изготовителями. Ценовое различие по срав­нению со стандартными модулями относительно мало и в некоторых случаях равно нулю. Эти модули в состоянии вырабатывать электроэнергию даже из радиации, поступающей на их тыльную сторону после отражения от местности или окружающей территории. Поэтому использование двусторонних фотоэлек­трических панелей выгодно, поскольку в этом случае количество про­изведенной энергии на 10 - 20% выше по сравнению со стандартными модуля­ми того же номинала и в той же самой конфигурации солнечной энергетиче­ской системы. В целом, повышение объема производимой энергии может, та­ким образом, достигать 100%, если сравнивать систему с автоматическим сле­жением, гребнеобразным концентратором излучения и двусторонними панеля­ми с системой, состоящей из стационарного неподвижного стенда, без концент­ратора излучения и стандартных модулей.

Использование автоматического стенда с солнечными модулями и с си­стемой слежения за Солнцем по полярной оси делает возможным отраженную радиацию направить на обратную сторону приемника. Использование солнеч­ной энергии, попадающей на тыльную поверхность, позволяет увеличить объем вырабатываемой энергии на 5 — 10% для типичного альбедо (коэффициента от­ражения) 0,3 по сравнению со стандартными панелями. Отражательная способ­ность окружающей среды (поверхности) в месте установки солнечной системы в этом случае влияет на количество выработанной энергии. Например, квар­цевый песок или снег имеют очень высокую отражательную способность для видимого света, тогда как у травы или почвы коэффициент отражения ниже, а скальная порода или базальт имеют очень низкие значения этого параметра.

Системы со слежением за Солнцем обычно ориентированы в западном направлении в течение ночи, так как остаются в данной ориентации с конца предыдущего вечера. Утром, после восхода Солнца, прямая радиация поступает в течение определенного периода к тыльной стороне модуля прежде, чем вся система будет переориентирована на восток. Использование этой радиации в двусторонних модулях может увеличить выработанную энергию еще на 2 - 5% в зависимости от местных условий.

Двусторонние солнечные модули прозрачны для инфракрасного излуче­ния. Модули на основе монокристаллического кремния прозрачны для фотонов с длиной волны Я>1100 нанометров. Это обстоятельство уменьшает темпера­туру двусторонних модулей в отличие от стандартных. Это особенно выгодно в солнечных системах со слежением и с концентраторами средней мощности (с = 1,6-1,7), где фотоэлектрические модули освещаются солнечными лучами более высокой интенсивности. Измерения показывают, что температура двусторонних фотоэлектрических панелей на основе монокристаллического кремния (c-Si), установленных на автоматическом стенде слежения, на 5 - 12% ниже, чем температура стандартных модулей (c-Si), встроенных в крышу. Уменьшение температуры двусторонних модулей может увеличить объем выработки энергии на 3 - 5% из-за более высокого КПД фотоэлектрического преобразования солнечной энергии при более низких температурах модулей. Уменьшение температуры, кроме того, увеличивает время жизни панелей вследствие пониженной деградации полимеров, из которых изготовлены их корпуса.

Сочетание всех трех эффектов может, таким образом,' увеличить коли­чество выработанной энергии на упомянутые выше 10 - 20%, по сравнению с такой же фотоэлектрической системой, использующей стандартные модули, следящий стенд и концентраторы гребнеобразного типа. Рисунок 12.2 представляет результаты оценки теоретической зависимости мгновенной мощности солнечной системы как функции времени в ясный летний день (для различных конструкций). Можно заметить, что общее повышение мощности фактически составляет упомянутые выше 100% для случая системы с двусторонними модулями, системой слежения и концентратором излучения гребнеобразного типа по сравнению с системой с неподвижным стендом, без концентратора и со стандартными панелями. Маленький пик соответствует раннеутреннему преобразованию прямого солнечного излучения, попадающего на тыльную сторону модулей солнечной энергетической системы до ее переориентации в восточном направлении.

Результаты фактических измерений в течение ясного весеннего дня пред­ставлены на рис. 12.3, где сравниваются две системы, состоящие из трех после­довательно соединенных фотоэлектрических модулей. Одна была установлена

на платформе со слежением с мягким концентратором гребнеобразного типа, в то время как вторая была установлена на стационарной платформе без кон­центратора.

В наших измерениях мы сравнивали двусторонние фотоэлектрические панели (c-Si) со стандартными (c-Si) модулями. Тесты были сделаны летом, пе­ред полуднем, с 1,5-кратной концентрацией излучения, скорость ветра v < 1 м-с'1 и температура окружающего воздуха t = 22°С. Температура солнечных элемен­тов определялась по температурной зависимости напряжения разомкнутой цепи фотоэлектрического модуля (напряжение холостого хода) при определенном освещении. Двусторонние панели показали эксплуатационную температуру t = 41 °С, т. е. на 12°С ниже, чем эксплуатационная температура стандартных моду­лей t = 53°С. Эти измерения находятся в хорошем соответствии с результатами, представленными также в [35]. Мы сделали вывод поэтому, что лучше устано­вить эти системы на более высоком стенде так, чтобы они хорошо охлаждались воздушным потоком.

Другой способ увеличить производство энергии в случае применения слабых (с ~ 1,6) концентраторов — это использование фотоэлектрических моду­лей с низким последовательным сопротивлением. В случае использования тако­го модуля рассчитанные для работы при однократном излучении легкие концентраторы гребнеобразного типа могут обеспечить получение энергии бо­лее чем на 80% больше по сравнению с фиксированными фотоэлектрическими системами без концентратора (с использованием «теплового окна» двусто­ронние фотоэлектрические модули могут обеспечить выработку энергии даже более чем на 100%). В то время как различие напряжения между стандартными системами и системами с мягкими концентраторами обычно незначительно, ток в модулях с мягкими концентраторами на ~ 100 % (вдвое) выше. Омические потери стандартного модуля при солнечном излучении 1000 Вт/м2 с мягким концентратором вычислены из выражения Р = RI1, таким образом омические потери (при R ~ const) приблизительно в 4,0 раза выше. Если схемы с двусторонними модулями и с «тепловыми окнами» (сеть и т. д.) подобрать так, чтобы удвоить ток, потери последовательного сопротивления будут уменьшены существенно, в то время как выработка энергии фотоэлектрическими модулями будет и далее увеличиваться. Таким образом, в заключение можно отметить, что если мы объединим при проектировании использование низкого последовательного сопротивления с технологией двусторонних фото­электрических модулей, а также с использованием «мягкого» концентратора, мы может удвоить отбор энергии от фотоэлектрических панелей.

Системы с высокой концентрацией излучения, получаемого с помощью параболических зеркал или линз Френеля, выделяются как особые случаи сол­нечных энергетических систем. Они очень эффективны, но все еще спорны, особенно из-за строгих производственных требований, и таким образом, высо­кой стоимости, и из-за их более низкой надежности. Эти системы требуют вы­сокой точности ориентации (А г/? <0.1°), а также они должны быть крепкими, чтобы предотвратить деформацию параболических зеркал или любое другое ухудшение точности ориентации вследствие воздействия гравитационных сил или ветра. Параболические концентраторы фокусируют только прямое солнеч­ное излучение, в отличие от лотков или концентраторов гребнеобразного типа с плоскими зеркалами, которые концентрируют также и диффузное излучение. Поэтому параболические зеркала целесообразно использовать преимуществен­но в местах с высоким числом солнечных дней в году или же в местах с высо­ким соотношением прямой и диффузной радиации. Это отношение может уменьшаться при более высокой атмосферной влажности, особенно в прибреж­ных областях, где есть смог или туманы, имеющие тенденцию рассеивать сол­нечное излучение.

Параболоцилиндрические концентраторы с линейным фокусом в принци­пе подобны показанным на рис. 6.1, б. Они обеспечивают уровень концентра­ции солнечного излучения до с » 30, но для таких концентраторов однородность распределения освещенности в фокусе представляет серьезную проблему.

При более высоких концентрациях излучения мы должны поддерживать однородность освещения, иначе панели могут расколоться из-за неоднородного нагревания. При этом фотоэлектрические модули должны быть эффективно ох­лаждены, и поэтому они устанавливаются с ребристыми металлическими теп­лообменниками-охладителями. Конструкция этих модулей обычно отличается от конструкций модулей, используемых в системах с низкой концентрацией из­лучения. Контактная сетка обычно заглубляется непосредственно в материал полупроводника с использованием лазерной технологии.

В отличие от контактов, наносимых на поверхность элемента трафарет­ной печатью, область контакта с полупроводником (то есть область, с помощью

кристаллический полупроводник

контакт, полученный вжнганием

Рис. 12.4. Схема поверхности и вожженных контактов
на сечении через полупроводниковый материал

которой электрический заряд снимается с фотоэлемента) увеличивается, а так­же увеличивается поперечное сечение контакта для лучшей проводимости бо­лее высоких токов при высоких концентрациях солнечной радиации.

Более дорогие фотоэлектрические модули на основе кристаллического ар­сенида галлия (GaAs) обычно используются до тех пор, пока не начинает наблю­даться снижение их эффективности с увеличением температуры (см. главу 7), которое для GaAs меньше, чем для кристаллического кремния.

Модули на базе тонких пленок кремния вообще не пригодны для работы с концентраторами. Фотоэлементы и модули обычно выполняются узкими и про­долговатыми, чтобы улучшить охлаждение. Это устройство применимо также для более коротких поперечных ответвлений контактной сетки или для ребро­подобных контактов коллектора. Рис. 12.4 схематично показывает поперечное сечение поверхности и контакта, углубленного в материал полупроводника.

Сравнительная эффективность фотоэлементов с контактами, полученны­ми трафаретной печатью, и фотоэлементов с контактами, заглубленными лазе­ром (вжиганием) как функция уровня концентрации излучения приведена на рис. 12.5 [55].

Очевидно, что углубленный лазером контакт имеет максимум эффектив­ности (КПД), сдвинутый в сторону больших концентраций. С увеличением концентрации эффективность элементов уменьшается медленнее для элементов с заглубленными лазером контактами.

Материал, применяемый в параболических зеркалах, представляет суще­ственную проблему. Здесь соотношение «качество-цена» требует тщательного рассмотрения. В основном используются зеркала, выполненные из алюминия. Алюминиевые листы, покрытые лаком или анодированные с целью защиты от окисления и потускнения, более дороги, пластмассы, покрытые алюминием, обычно не столь дорогие.

Концентраторы на основе линз Френеля с линейным фокусом более про­сты, но их коэффициент концентрации ниже (с «10). Линзы Френеля обычно

делаются из силиконовой фольги с параллельными канавками (сегменты лин­зы), выгравированными алмазными резцами. Альтернативно они могут изго­тавливаться из рифленого стекла. Линза Френеля схематично показана на рис. 12.6, она тонкая. Толщина линзы нужна для того, чтобы обеспечить дости­жение необходимой кривизны поверхности, которая получается делением лин­зы на крошечные сегменты. У реальной линзы Френеля имеется намного боль­ше сегментов, чем это изображено на рисунке.

Рис. 18.63 иллюстрирует нашу фотоэлектрическую систему с зеркалами Френеля, имеющими линейный фокус, и следящей системой TRAXLElM, ко­торая демонстрировалась на Берлинской выставке в 2002 г. Схема этой системы показана на рис. 12.7. Высококачественные линзы Френели из силиконового полимера были изготовлены, например, американской компанией ЗМ и ус­тановлены компанией ENTECH в ее фотоэлектрических системах. В Чешской

республике в ТерПсе компания GLAVERBEL производит свернутые стеклян­ные линзы Френели, которые компанией SOLAR GLASS (Teplice) устанавли­ваются в ее собственных фотоэлектрических системах.

Параболоидные концентраторы с точечным фокусом технически наибо­лее востребованы. В принципе, они похожи на концентраторы, показанные на рис. 6.1, а. Они достигают коэффициента концентрации солнечного излучения порядка с « 900. Однако эти концентраторы требуют высокой точности ориен­тации (А(р ^ 0.1 °) относительно двух осей. Это обычно самая большая пробле­ма - и технически, и материально.

Вжигаемые лазером контакты необходимо использовать из-за высоких плотностей токов. Фотоэлемент обычно припаивается к массивной медной пла­стине, с радиаторами на тыльной стороне. На рис. 18.66 показана фотоэлектри­ческая панель, состоящая из модулей с линзами Френеля, имеющими точечные фокусы, которая была представлена в 2005 году на Шанхайской выставке. Рису­нок 18.67 - это вид через линзу Френеля. Размеры линзы - 270x270 мм2, размеры фотоэлемента - 10x10 мм2, а коэффициент концентрации х729. Пластмассовая линза подвержена деградации под воздействием ультрафиолетового излучения, вода может конденсироваться внутри панели, а фотоэлементы могут треснуть и расколоться из-за перегревания. Линзы концентрируют только прямое солнечное излучение и не чувствительны к диффузной радиации. Поэтому они пригодны только в местностях с изобилием прямой радиации. Преимуществом этой конст­рукции является ее более низкая удельная цена (на 1 Вт мощности).

Новая конструкция фотоэлектрической системы с пятикратной концен­трацией радиации показана на рис. 18.100 и 18.101. Эта конструкция была раз­работана в результате сотрудничества компании Poulek Solar Ltd с Пражским университетом сельского хозяйства (CULS), и в настоящее время испытана в CULS в Праге. Двусторонние панели установлены более эффективной стороной

вниз, откуда поступает четырехкратно сконцентрированная радиация, отражен­ная системой зеркал. Стандартное солнечное излучение попадает на тыльную сторону панели сверху. Типичные эксплуатационные температуры превышают 90°С. Для этих целей должна была быть разработана специальная панель. Кон­струкция с фольгой EVA не может рассматриваться для этих целей вследствие деградации фольги EVA при высоких температурах. Основная идея конструк­ции возникла вследствие того факта, что зеркало приблизительно в 30 раз де­шевле, чем фотоэлектрическая панель. Таким образом были использованы бо­лее дешевые зеркала для того, чтобы сделать производство энергии с помощью дорогих фотоэлектрических модулей более эффективным. Конструкция нова, но уже первые тесты показывают, что количество электроэнергии, произведен­ной в течение солнечного дня в этих установках, могло быть даже в три раза выше, чем в стандартных фотоэлектрических панелях, смонтированных на не­подвижных стендах без какой либо концентрации излучения.

Рис. 18.8 показывает систему с точечным фокусом, установленную около Финикса (штат Аризона, США). Система не является фотоэлектрической. Здесь концентрированное солнечное излучение используется для проведения фото­химических реакций метана и окиси цинка, образующих синтетический газ и цинк. В дальнейшем электрическая энергия генерируется в топливных элемен­тах, в процессе окисления цинка до окиси цинка. Процесс окисления цинка и восстановления окиси повторяется непрерывно.

Как пример большого проекта, в котором используются фотоэлектриче­ские модули, работающие в условиях высокой концентрации излучения, мы отмечаем проект Eukleides, выполняющийся в научно-исследовательском ин­ституте ITER на Тенерифе (Канарские Острова). Это система, включающая па­раболические концентраторы с линейным фокусом. Она оснащена специаль­ными фотоэлектрическими панелями на основе монокристаллического крем­ния. Эти системы можно увидеть на заднем плане рис. 18.48. На рис. 18.64 по­казана надежная конструкция. Он также иллюстрирует вопросы точности ори­ентации, в центре можно заметить, что сконцентрированная радиация не посту­пает на фотоэлектрические панели. Бракованные фотоэлектрические панели с их массивными ребристыми радиаторами показаны в деталях на рис. 18.65 (де­тали разрушенных панелей видны слева).