În prezent, cea mai frecventă utilizare a energiei solare este producerea de purtători de căldură la temperaturi joase și medii, în principal pentru furnizarea de apă caldă, încălzirea apei din piscine, încălzire și, în unele cazuri, pentru căldura de proces. În plus, energia solară este utilizată pentru producerea de electricitate în centralele electrice care funcționează fie pe baza unui ciclu termodinamic, fie prin conversia directă a radiației solare în electricitate.
Energia solară este o ramură a științei și tehnologiei care dezvoltă bazele, metodele și mijloacele de utilizare a radiației solare sau a radiației solare pentru a produce energie electrică, termică și alte tipuri de energie și pentru a le utiliza în economia națională.
Energia radiantă a Soarelui care ajunge pe Pământ este cea mai importantă sursă de energie disponibilă pentru omenire. Fluxul de energie solară la suprafața Pământului este echivalent cu un combustibil convențional în cantitate de 1,2 — 1014 tone. Soarele, ca și alte stele, este un gaz incandescent. Compoziția sa este de 82% hidrogen, 17% heliu, iar celelalte elemente reprezintă aproximativ 1%. În interiorul Soarelui există o regiune de înaltă presiune, unde temperatura atinge 15-20 de milioane de grade Celsius.
Pământul se află la aproximativ 150 de milioane de kilometri distanță de Soare. Fluxul de radiație solară care ajunge pe Pământ este estimat la (7,5-10) — 107 kWh/an sau (0,85-1,2) — 1014 kW, depășind cu mult resursele tuturor celorlalte surse de energie regenerabile.
Radiația solară care ajunge la suprafața Pământului depinde de mulți factori: latitudinea și longitudinea unui loc, caracteristicile geografice și climatice ale acestuia, starea atmosferei, altitudinea Soarelui deasupra orizontului etc.
Fluxul de radiație solară către Pământ variază, atingând un maxim de 2200 kWh/m 2 pe an pentru nord-vestul Statelor Unite, vestul Americii de Sud, părți din sudul și nordul Africii, Arabia Saudită și centrul Australiei. Rusia este situată în zona în care fluxul de radiație solară variază de la 800 la 1400 kWh — h/m 2 pe an. În același timp, durata de strălucire a soarelui în Rusia este cuprinsă între 1700 și 2000 h/an și ceva mai mult. Valoarea maximă a acestor valori pe Pământ este de peste 3600 h/an. Într-un an, energia solară furnizată întregului teritoriu al Rusiei este mai mare decât energia tuturor resurselor rusești de petrol, gaz, cărbune și uraniu.
În lumea de astăzi, energia solară se dezvoltă foarte intens, ocupând un loc important în complexul de combustibili și energie al unui număr de țări.
Conținut
Generarea energiei electrice din lumina soarelui
Radiația solară, datorită faptului că provine dintr-o sursă cu temperatură ridicată (aproximativ 6000 °C), este, din punct de vedere termodinamic, o sursă de energie primară de înaltă calitate, care permite transformarea sa în alte tipuri de energie (electricitate, căldură etc.) cu un randament ridicat. Cu toate acestea, dezavantajele semnificative din punct de vedere tehnic sunt instabilitatea și densitatea relativ scăzută a fluxului solar: în afara atmosferei 1,4 W/m 2 , pe suprafața Pământului la amiază senină aproximativ 1 W/m 2 . Aceste proprietăți ale radiației solare complică crearea de dispozitive energetice eficiente, deoarece este necesară o suprafață mare pentru receptorii radiației solare și crearea de acumulatori de energie. Ca urmare, costul centralelor solare este ridicat, ceea ce le face mai puțin competitive în raport cu centralele electrice convenționale alimentate cu combustibili fosili.
Centrale solare cu un receptor central
Centralele solare (SPP) cu ciclu de conversie termodinamică utilizează radiația solară concentrată pentru a încălzi agentul de răcire intermediar sau direct corpul de lucru al centralei termice. Ca concentratoare, sistemele cu oglinzi sunt utilizate în principal sub formă de:
- câmpuri de heliostatice individuale plate care urmăresc Soarele și focalizează radiația solară directă pe un helioreceptor montat pe vârful unui turn înalt (SES-uri cu turn);
- parabolocilindri care urmăresc Soarele de-a lungul unei coordonate, în centrul cărora este instalat un tub receptor prin care curge lichidul încălzit. Pentru a reduce pierderile de căldură și pentru a obține temperaturi de încălzire ridicate, tubul este închis într-un înveliș transparent vidat;
- paraboloizi, în centrul cărora se află o suprafață de recepție a căldurii a motorului Stirling, a unității de turbină cu gaz sau a încălzitorului corpului de lucru al unității de turbină cu abur.
Dintre schemele de mai sus, cele mai răspândite sunt SES cu concentratoare parabolocilindrice. În anii 1980-începutul anilor 1990, în California (SUA) au fost construite 9 SES de acest tip cu o capacitate totală de 354 MW. Unele dintre acestea sunt încă în funcțiune. Uleiul mineral de temperatură înaltă este utilizat ca agent termic încălzit în concentrator la o temperatură de 380 ◦ C, care dă căldură vaporilor de apă — corpul de lucru al unității turbinei cu abur. Se prevede arderea suplimentară (până la 20% pe an în termeni de căldură) a gazelor naturale. Recent, în diferite țări (Egipt, India, Maroc, Mexic) au fost discutate proiecte pentru crearea unor astfel de SES, dar nu au fost luate decizii finale.
În aceeași perioadă, au fost construite în diferite țări (inclusiv în URSS) SES-uri de tip turn cu capacități cuprinse între 1 și 10 MW. Cel mai cunoscut este Solar One, cu o capacitate de 10 MW, construit în SUA și transformat ulterior în Solar Two cu aceeași capacitate. Solar Two a funcționat timp de mai mulți ani și după ciclul planificat de cercetare a fost oprit din cauza necompetitivității.
Particularitatea acestor centrale este că funcționează exclusiv pe baza energiei solare, fără a utiliza combustibili convenționali. În acest scop, schema centralei include un acumulator termic care utilizează sare topită, ceea ce face posibilă extinderea funcționării centralei dincolo de orele de zi. O serie de astfel de centrale sunt planificate în Spania, care are o legislație favorabilă instalațiilor solare (o primă de 0,12 €/kWh în plus față de prețul de bază al electricității). În Africa de Sud, este în curs de examinare un proiect de turn de 100 MW.
În anii ’80 ai secolului trecut, în Crimeea a fost construită prima centrală solară experimentală (SES-5) cu o capacitate de 5 MW, cu un ciclu termodinamic de conversie a energiei (figura 1).
Generatorul de abur SES-5 este montat pe vârful unui turn înalt de 70 m, situat în centrul unui câmp circular de heliostate care concentrează și direcționează radiația solară pe suprafața sa de încălzire. Acestea sunt amplasate de-a lungul întregului perimetru deschis spre exterior. Generatorul de abur este realizat sub forma unui con cu 16 laturi, cu un diametru al cercului circumscris de 7176 mm și o înălțime a părții încălzite de 7 000 mm. Suprafața sa de încălzire este formată din panouri sudate complet cu tuburi verticale situate de-a lungul marginilor perimetrului său exterior. Există 1600 de heliostate dispuse în cercuri concentrice pe un teren cu o rază de peste o jumătate de kilometru. Fiecare heliostat este echipat cu un dispozitiv special pentru rotirea unei oglinzi de 25 m 2. Oglinzile trebuie să se miște continuu urmărind soarele, astfel încât, în orice poziție a soarelui pe cer, niciuna dintre ele să nu se afle în umbră, iar iepurașul solar proiectat de fiecare dintre ele să lovească exact vârful turnului, unde este amplasat cazanul de abur. Generatorul de abur solar este proiectat să producă 7,8 kg/s de abur saturat cu o presiune de 4 MPa. Aburul de înaltă presiune cu o temperatură de 250 ◦ C antrenează turbina, care antrenează generatorul electric. Experiența de funcționare a SES-5 a arătat că caracteristicile sale sunt inferioare analogilor străini și a dezvăluit erori grave de proiectare.
Experiența străină de creare a SES arată că, în viitor, astfel de instalații vor deveni competitive în raport cu sursele convenționale de energie.
Capacitatea SES cu concentratoare parabolice este limitată de dimensiunea paraboloidului. Cel mai mare paraboloid construit în Australia are o suprafață de deschidere de 400 m 2 , iar cu un motor Stirling cu un randament de aproximativ 20% ar putea dezvolta o putere de până la 60 kW. Toate celelalte SES cu paraboloizi au fost construite ca instalații pilot cu o capacitate de 10-25 kW.
Convertoare solare fotovoltaice
Legătura dintre electricitate și lumină a fost evidențiată pentru prima dată de Maxwell. Ulterior, această legătură a fost demonstrată de profesorul A.G. Stoletov de la Universitatea de Stat din Moscova, în a cărui instalație experimentală (1888) a circulat un curent electric generat de raze de lumină. În 1954, Pearson, Chapman și Fuller au iluminat cu raze două plăci diferite de siliciu conectate între ele ca un sandwich. S-a format un circuit electric în care un curent a fost generat de fotoefectul intern.
Conversia directă a radiației solare în energie electrică este realizată de convertoarele fotovoltaice semiconductoare (PV). Oamenii de știință ruși sunt lideri recunoscuți în proiectarea materialelor pentru elementele semiconductoare. Cercetătorii conduși de academicianul J. Alferov, laureat al Premiului Nobel, au reușit să creeze structuri complet noi de materiale semiconductoare pentru celulele fotovoltaice.
În prezent, cele mai răspândite sunt FEP bazate pe siliciu dopat cu elemente din grupele III și V pentru a obține așa-numita joncțiune p-n. Sunt utilizate FEP din siliciu monocristalin, policristalin și amorf. FEP au la bază celule solare care au forma unui cerc cu un diametru de până la 100 mm sau a unui poliedru. Celulele sunt asamblate în module cu o putere de până la 100 W la o insolație standard (figura 2). Astfel de module pot fi utilizate pentru a construi baterii cu o capacitate de până la câțiva MW în unele cazuri.
Avantajul FEP este că utilizează atât radiația directă, cât și cea dispersată, nu necesită urmărirea Soarelui și practic nu necesită întreținere. Cele mai bune module de siliciu monocristalin disponibile în comerț au un randament de aproximativ 18% și costă 3,5-4 $/W.
Conform datelor AIE, capacitatea totală instalată de FEP în 20 de țări industrializate până la sfârșitul anului 2003 a fost de 1,8 GW, cu o creștere de 0,43 GW numai în 2003.
În 2005, lumea a produs 1,727 GW de FEP cu o capacitate totală de 1,727 GW, iar până la sfârșitul anului 2010 se preconizează că producția va crește de 3,5 ori.
În ciuda ratei ridicate de creștere a capacității instalate de FEP atât în țările dezvoltate, cât și în cele în curs de dezvoltare, din cauza costului ridicat al materialelor și al tehnologiei de fabricație, costul electricității produse de FEP este încă ridicat — în condiții favorabile, aproximativ 0,20 cenți/(kWh).
Unele perspective de ieftinire a energiei electrice sunt asociate cu funcționarea FEP pe baza radiației solare concentrate. În acest caz, costul specific al FEP în sine scade, dar se adaugă costul dispozitivului de concentrare. În acest caz, este oportun să se utilizeze, în locul siliciului, materiale și structuri mai scumpe care asigură o eficiență mai mare. Cu toate acestea, astfel de sisteme nu au devenit încă foarte răspândite.
În Caravaca de la Cruz, în sud-estul Spaniei, se lucrează la crearea unei centrale solare de 5 megawați (figura 3). Noua centrală solară va cuprinde 500 de instalații de 10 kW fiecare, cu o suprafață totală de panouri solare de aproximativ 350 000 m 2 . Prin utilizarea unui sistem biaxial de urmărire solară, sistemele fotovoltaice individuale vor fi orientate permanent spre soare, maximizând utilizarea energiei acestuia de la răsărit la apus. Conform calculelor preliminare, utilizarea sistemului de urmărire în comparație cu modulele fixe va crește producția de energie electrică cu 40-45%. Astfel, producția de energie electrică va crește cu aproximativ 2 000 kWh/an din fiecare kilowatt de capacitate instalată, ceea ce va duce la o creștere anuală a producției de energie electrică de până la 10 GWh.
Noua instalație fotovoltaică vine în contextul planului de energie regenerabilă al Spaniei, în cadrul căruia guvernul a stabilit un obiectiv de instalare a 400 MW de sisteme solare fotovoltaice până în 2010.
Cea mai mare instalație de producție de panouri solare construită vreodată a fost pusă în funcțiune lângă Prenzlau, Germania. Aceasta a fost construită în apropierea instalației existente Aleo/SMO. Aceasta are o capacitate de producție de 90 MW, ceea ce corespunde la aproximativ 550 000 de module pe an. Această cantitate de celule fotovoltaice produse anual va furniza energie electrică pentru aproximativ 45 000 de persoane.
Înființarea companiei a fost un răspuns nu numai la creșterea rapidă a pieței interne germane pentru tehnologia fotovoltaică, ci și la creșterea rapidă a pieței globale pentru această tehnologie.
În prezent, Rusia dispune de o bază științifică suficientă pentru dezvoltarea energiei fotovoltaice și de o instalație de producție puternică, capabilă să creeze orice instalații solare fotovoltaice moderne.
Potențialul economic al energiei solare în Rusia este relativ mic, ceea ce înseamnă că este puțin probabil să fie recomandabilă construirea unei centrale solare cu un ciclu termodinamic. În același timp, condițiile pentru crearea de instalații solare de încălzire a apei (SWHU) pentru furnizarea de apă caldă există aproape peste tot, în special în jumătatea caldă a anului. Încălzirea solară cu ajutorul sistemelor de încălzire a agentului de răcire în SC este nepotrivită din punct de vedere economic pentru Rusia. Densitatea scăzută a fluxului de radiații solare care intră în sezonul rece ar necesita dimensiuni exorbitante de SC pe unitate de suprafață încălzită. Cu toate acestea, utilizarea pasivă a căldurii solare prin arhitectura inteligentă a clădirilor este de interes.
Alături de IED, este oportună utilizarea energiei solare pentru producerea de energie electrică prin intermediul FEP în instalații de capacitate mică (în sistemele de comunicații, semnalizare, navigație, pentru nevoile casnice din zonele greu accesibile etc.).
De un interes deosebit sunt sistemele autonome de alimentare cu energie electrică de capacitate mică (până la 6 kW), care pot fi utilizate în întreprinderi mici, ferme, locuințe individuale, folosind energia solară și eoliană (figura 4).
Dezavantajul unei astfel de surse de alimentare cu energie electrică este lipsa de coerență a mărimii și a timpului de furnizare a energiei electrice de la sursă la consumator. Astfel, în absența Soarelui, bateria solară nu mai funcționează, iar consumatorul este lipsit de energie. Același lucru se întâmplă și cu o turbină eoliană dacă viteza vântului este sub 3 metri pe secundă.
Prin adăugarea unei baterii la sistemul de alimentare cu energie electrică, este posibil să se scape de aceste dezavantaje. Surplusul de electricitate generat de diferite surse poate fi stocat într-o baterie (Baterii). Un invertor convertește tensiunea de 24 V CC în tensiune de 220 V CA. Consumatorii de electricitate sunt conectați la ieșirea invertorului.
În concluzie, observăm că costul ridicat al energiei electrice produse de FEP limitează aplicarea lor pe scară mai largă. Acest cost ridicat se datorează costului ridicat al siliciului de înaltă puritate și al procesului tehnologic. În lume și în Rusia, se desfășoară activități intensive de cercetare și dezvoltare pentru a reduce costul FEP.
Convertoare fotoelectrice
Convertoarele fotovoltaice (PV) sunt din ce în ce mai utilizate în diferite țări. Mai mult de 90 % din piață este reprezentată de module fotovoltaice pe bază de siliciu policristalin și monocristalin, cu un randament de 15-17 %. În condiții de latitudine medie, aceste sisteme fotovoltaice pot produce 120-200 kWh/m 2 pe an. Numeroase centre de cercetare lucrează la creșterea eficienței sistemelor fotovoltaice prin crearea unor structuri de straturi (în cascadă) care să asigure o conversie mai completă a energiei radiației solare în întregul său spectru, precum și la reducerea costului materialelor semiconductoare și al sistemelor fotovoltaice în general prin utilizarea structurilor cu strat subțire și a concentratorilor de radiație solară. Se preconizează că, în viitorul apropiat, eficiența FET-urilor industriale poate crește până la 30-35 %. Deși cercetarea și dezvoltarea intensivă în domeniul energiei fotovoltaice în toate țările importante ale lumii a condus la succese importante atât în ceea ce privește creșterea eficienței fotoconvertoarelor, cât și reducerea costului de producție a acestora, costul electricității generate de energia fotovoltaică depășește încă cu mult costul electricității generate de sursele convenționale de energie. În prezent, energia electrică produsă de FEP ar trebui să fie considerată o oportunitate de a furniza energie consumatorilor care se află departe de rețeaua electrică sau care doresc să aibă o sursă de rezervă în caz de defecțiune a sistemului de alimentare cu energie electrică. În majoritatea cazurilor, acestea sunt centrale electrice relativ mici, cu acumulatori în componența lor
Aplicarea convertoarelor fotovoltaice
Alimentarea autonomă cu energie electrică a consumatorilor care nu sunt conectați la o sursă de alimentare centralizată
Sisteme de comunicații (repetoare, sisteme radio mobile, rețele telefonice, sisteme autonome de monitorizare și control). Capacitatea instalațiilor fotovoltaice utilizate în acest domeniu variază de la câțiva wați la câțiva kilowați.
Protecția catodică . Instalațiile fotovoltaice au găsit o largă aplicare ca sursă autonomă de energie pentru sistemele de protecție împotriva coroziunii pentru turnurile de telecomunicații, conducte, rezervoare metalice subterane și structuri subterane ale clădirilor expuse la influențe agresive ale mediului. De regulă, puterea lor pentru aceste scopuri nu depășește 10 kW.
Dispozitive de semnalizare . Alimentarea cu energie electrică cu ajutorul FEP pentru luminile de semnalizare a navigației pe râuri, pe mare, luminile de siguranță instalate pe liniile electrice, structurile înalte, dispozitivele de semnalizare luminoasă și sonoră pe șinele de cale ferată și pe drumuri etc.
Iluminat . Zeci de mii de FEP în combinație cu baterii sunt utilizate în diferite țări pentru iluminarea panourilor publicitare, a indicatoarelor rutiere și de parcare și a indicatoarelor etc., inclusiv în interiorul orașelor mari.
Frigidere electrice . Frigiderele electrice alimentate cu FEP au devenit foarte răspândite, în special în țările cu climă caldă, pentru a stoca produse perisabile valoroase, în special medicamente, vaccinuri etc.
Monitorizarea la distanță . Acest domeniu de utilizare a FEP este, de asemenea, unul dintre cele mai răspândite. În prezent, mai mult de 100 000 de instalații fotovoltaice sunt în funcțiune în diferite țări pentru a alimenta stații meteorologice autonome, stații pentru controlul autonom al temperaturii și nivelului apei, al debitului lichidelor în conducte, controlul nivelului de poluare a aerului în apropierea instalațiilor industriale etc.
Instalații de pompare a apei . Instalațiile fotovoltaice sunt utilizate pentru ridicarea apei potabile din puțuri și foraje, pentru irigații în agricultură. Instalațiile funcționează în prezența radiațiilor solare, acumulând apă în rezervor. Astfel de instalații sunt caracterizate de o construcție simplă și sunt relativ ieftine, deoarece nu necesită utilizarea bateriilor în componența lor.
Alimentarea rezidențială cu energie
Una dintre provocările asociate cu utilizarea FES în clădirile rezidențiale și de birouri este că modulele FES pot înlocui elementele tradiționale de construcție și materialele de placare. În același timp, acestea trebuie să fie adecvate din punct de vedere arhitectural și plăcute din punct de vedere estetic.
Crearea de centrale solare
Câteva zeci de centrale fotovoltaice demonstrative cu o capacitate de peste 100 kW fiecare, care sunt prototipuri ale viitoarelor centrale solare la scară largă, sunt în funcțiune în mai multe țări. Acestea sunt încă departe de a fi autosuficiente, dar sunt importante pentru acumularea de experiență operațională și demonstrarea tehnologiilor energetice ecologice promițătoare. În Rusia, conform datelor producătorilor, capacitatea totală de producție a FEP se ridică la câțiva MW pe an. FEP produse de mai multe întreprinderi rusești îndeplinesc standardele internaționale moderne și sunt furnizate în principal țărilor străine.
Există trei soluții structurale și schematice principale ale sistemelor de alimentare cu energie folosind centrale solare. Varietățile lor sunt prezentate în Fig. 7.1.
- Centrala fotovoltaică autonomă este complet independentă de rețelele de alimentare externe (Fig. 7.1, a). Toate sistemele autonome trebuie să dispună de un stocator sau acumulator de energie. Energia din acumulatori este utilizată în perioadele cu radiație solară insuficientă sau atunci când sarcina depășește producția panourilor solare.
- Centrală electrică fotovoltaică care funcționează în paralel cu rețeaua externă (fig. 7.1, b). Energia excedentară generată de panourile solare poate fi canalizată către rețea. În cazul în care consumul depășește puterea generată de panourile solare, puterea lipsă este preluată din rețea. În acest scop, se utilizează convertoare de tensiune de la curent continuu la curent alternativ — invertoare — care pot funcționa în paralel cu rețeaua.
- Un sistem cu conectare fără baterii la rețea este cel mai simplu dintre toate sistemele (fig. 7.1, c). Acesta constă din panouri solare, precum și dintr-un invertor conectat la rețea. Toată energia electrică generată este returnată în rețea. Un astfel de sistem nu are baterii, astfel încât nu poate fi utilizat ca sistem de rezervă. Atunci când rețeaua se oprește, panourile solare încetează și ele să producă electricitate. Aceasta poate fi o limitare a acestui sistem, însă principalul său avantaj este prețul scăzut și fiabilitatea ridicată.
Eficiența unui sistem fotovoltaic depinde de nivelul radiației solare. Componenta principală a sistemelor fotovoltaice sunt modulele, în care sunt combinate celulele fotovoltaice. Modulele pot fi proiectate pentru orice tensiune, până la câteva sute de volți. Dacă sistemul are sarcini de curent alternativ, sunt incluse invertoare pentru a converti în curent alternativ. La selectarea celulelor fotovoltaice pentru un sistem autonom de energie solară, este necesar să se cunoască eficiența unui anumit tip de celule fotovoltaice. Este cunoscut faptul că eficiența unei celule fotovoltaice este raportul dintre energia care cade pe celulă și energia electrică furnizată consumatorilor de energie electrică. Există o valoare practică a eficienței, valori teoretice și de laborator ale eficienței. Valorile randamentului practic al fotocelulelor industriale sunt prezentate mai jos:
- fotocelule din siliciu monocristalin: 16-17%;
- fotocelule din siliciu policristalin: 14-15%;
- celule fotovoltaice din siliciu amorf: 8-9%.
Tehnologia de fabricație a modulelor solare
Materiale pentru fabricarea modulelor solare
Producția de panouri solare este în prezent o sarcină destul de urgentă. Datorită faptului că cererea de surse alternative de energie crește în fiecare an, panourile solare sunt din ce în ce mai utilizate în diverse dispozitive și mecanisme. Nevoile de energie ale omenirii sunt în continuă creștere, ceea ce duce la o creștere a producției de energie electrică, prin urmare la extragerea de resurse energetice, care devin din ce în ce mai rare. În acest sens, panourile solare ca sursă de energie alternativă își afirmă din ce în ce mai ferm drepturile pe piața globală a energiei. Orice fabrică care produce panouri solare dispune de echipamente progresive. Producțiile diferă exclusiv prin materialul care stă la baza panourilor solare propriu-zise. Direct tehnologia de producție în funcție de material se schimbă ușor. Cel mai adesea, siliciul poli- și monocristalin este utilizat pentru producția de module. În ciuda eficienței scăzute a acestor dispozitive, costul lor este relativ scăzut și permite introducerea surselor perfecte în orice dispozitiv. Există, de asemenea, producția de siliciu amorf, dar această tehnologie nu este profitabilă pe scară largă, astfel încât producția de fotocelule bazate pe cristale este principala direcție de producție.
Un modul fotovoltaic constă din mai multe celule solare interconectate, încapsulate într-un singur dispozitiv durabil și stabil. Scopul principal al încapsulării este de a proteja celulele solare conectate electric și cablajul de mediul nefavorabil în care trebuie să funcționeze. Principalele funcții ale modulului sunt de a proteja celulele de deteriorările mecanice și de apă. Există multe tipuri diferite de module (figura 7.2).
Acestea diferă adesea în funcție de tipul de celule solare și de aplicație. De exemplu, celulele solare pe bază de siliciu amorf sunt de obicei încapsulate în baterii flexibile, în timp ce celulele solare pe bază de substraturi de siliciu cristalin sunt plasate în module rigide cu o suprafață de sticlă. Perioada de valabilitate și garanția modulelor de celule solare cristaline este de obicei de cel puțin 20 de ani, ceea ce indică fiabilitatea lor ridicată.
Majoritatea modulelor cu celule solare cristaline constau dintr-un strat frontal transparent, un agent de încapsulare, un strat posterior și un cadru în jurul marginilor exterioare. În majoritatea modulelor, stratul superior este fabricat din sticlă, încapsulantul este fabricat din acetat de etil vinil (EVA), iar stratul din spate este fabricat din policlorură de vinil (PVF sau Tedlar) (figura 7.3).
Suprafața frontală a modulului fotovoltaic trebuie să aibă o transmisie ridicată a radiațiilor și o reflexie redusă. Stratul superior trebuie să fie impermeabil la apă, să aibă o bună rezistență la impact, să nu fie afectat de iradierea UV și să aibă o rezistență termică scăzută.
Există mai multe materiale din care poate fi fabricată fața. Acestea sunt fibre acrilice, polimeri sau sticlă. Sticla cu conținut scăzut de fier este cel mai adesea aleasă deoarece are rezistență ridicată, stabilitate, transparență, este impermeabilă la apă și gaze, are proprietăți bune de autocurățare și costuri reduse. Încapsulantul este necesar pentru a crea un strat intermediar între celulele solare, suprafața frontală și suprafața posterioară a modulului fotovoltaic.
Încapsulantul trebuie să își păstreze proprietățile la temperaturi ridicate și la iradiere UV intensă. De asemenea, acesta trebuie să fie transparent optic și să aibă o rezistență termică scăzută. Cel mai frecvent încapsulant utilizat este acetatul de etil vinil (EVA). EVA este furnizat sub formă de foi subțiri care sunt introduse între celulele solare și suprafețele din față și din spate. Când sunt încălzite la 150 ºC, moleculele de EVA polimerizează și se leagă între ele.
Principala cerință pentru suprafața din spate a fotocelulelor modulului este rezistența termică scăzută și rezistența la apă. Ultimul element al construcției modulului este rama acestuia. Cadrul este de obicei fabricat din aluminiu.
Densitatea de ambalare a celulelor solare într-un modul fotovoltaic se calculează ca raport între suprafața modulului ocupată de celulele solare și suprafața goală. Densitatea de umplere, împreună cu temperatura de funcționare, este un factor care determină puterea de ieșire a bateriei. Densitatea de umplere depinde de forma celulelor solare utilizate. De exemplu, celulele monocristaline sunt circulare sau semicirculare, în timp ce celulele policristaline sunt, de obicei, cadrante. Prin urmare, densitatea de ambalare a celulelor monocristaline este mai mică decât cea a celulelor policristaline.
Tehnologia de producție a siliciului
Tehnologia de obținere a monocristalelor de siliciu semiconductor constă în următoarele etape
- obținerea siliciului tehnic;
- transformarea siliciului într-un compus volatil care poate fi ușor recuperat după purificare;
- purificarea și recuperarea compusului, obținându-se siliciu sub formă de tije policristaline;
- purificarea finală a siliciului prin cristalizare;
- creșterea monocristalelor dopate.
Avantaje și dezavantaje ale centralelor solare fotovoltaice
Intensitatea radiației solare variază pe parcursul zilei din cauza mișcării relative a soarelui și depinde, de asemenea, de acoperirea noroasă. De exemplu, la prânz, pe vreme însorită și senină, cantitatea de energie solară poate ajunge la 1000 W/m 2 , dar atunci când este înnorat chiar și la prânz, aceasta poate scădea la 100 W/m 2 sau mai puțin. Producția de electricitate prin energia solară fotovoltaică depinde de unghiul de incidență a razelor solare și este maximă atunci când unghiul este de 90 de grade.
Este important să orientați corect suprafața modulelor solare și să stabiliți unghiul corect de înclinare.
Sistemele autonome combinate (hibride), cum ar fi parcurile eoliene și sistemele fotovoltaice, au cea mai mare eficiență, inclusiv eficiența economică și fiabilitatea. Sistemele complet autonome au o performanță mai scăzută, deoarece dimensiunea și numărul de module sunt selectate pe baza unei producții suficiente de energie în timpul iernii, în ciuda supraproducției inevitabile în timpul verii. Sistemele combinate au un randament mai ridicat, deoarece dimensiunea celulelor fotovoltaice este selectată în funcție de sarcina necesară în timpul verii, în timp ce iarna și pe vreme înnorată energia electrică suplimentară este produsă de stații cu piston de gaz sau turbine eoliene.
În ciuda dezvoltării tehnologiilor, energia solară rămâne cea mai scumpă dintre tipurile cunoscute de SER. Dezvoltarea energiei solare în viitor va duce la ieftinirea energiei solare și a celulelor fotovoltaice. În prezent, utilizarea celulelor fotovoltaice pentru nevoile de alimentare autonomă cu energie este rentabilă numai în zonele îndepărtate de alimentarea centralizată cu energie sau atunci când alte surse autonome de energie nu pot fi utilizate din motive de mediu.
Dezvoltarea energiei solare în Rusia și în lume
Energia solară este utilizată din ce în ce mai mult pentru a genera electricitate prin intermediul convertoarelor fotovoltaice (PV) și al centralelor solare termodinamice.
În 1985, capacitatea totală instalată la nivel mondial era de 0,021 GW. În 2005, producția globală de celule fotovoltaice a fost de 1,656 GW. În 2012, capacitatea globală totală de energie solară a crescut cu 31 GW, depășind 100 GW, în timp ce capacitatea globală totală de energie solară fotovoltaică a reprezentat doar aproximativ 0,1% din producția globală de energie electrică. În 2013, la nivel mondial au fost instalate 39 GW de capacitate fotovoltaică. Uniunea Europeană este lider în ceea ce privește capacitatea instalată, iar China este lider între țările individuale. În ceea ce privește capacitatea totală pe cap de locuitor, Germania este lider. În 2010, 2,7 % din consumul de energie electrică în Spania și 3 % din consumul de energie electrică în Italia proveneau din energie solară.
La nivel mondial, creșterea anuală a energiei în ultimii cinci ani a fost în medie de aproximativ 50%. În mod ipotetic, energia generată de radiațiile solare va putea satisface 20-25% din nevoile de electricitate ale omenirii până în 2050 și va reduce emisiile de dioxid de carbon. Potrivit experților Agenției Internaționale pentru Energie (IEA), energia solară va produce în 40 de ani, cu un nivel adecvat de răspândire a tehnologiilor avansate, aproximativ 9 mii de terawatt-oră — sau 20-25% din necesarul de energie electrică, și va permite reducerea emisiilor de dioxid de carbon cu 6 miliarde de tone anual.
Credința populară conform căreia Rusia, situată în principal la latitudini medii și înalte, nu dispune de resurse semnificative de energie solară pentru utilizarea eficientă a energiei, nu este adevărată.
Fig. 7.4 prezintă media anuală a sumelor zilnice de radiații solare pe suprafețe înclinate fixe orientate spre sud, cu un unghi optim de înclinare față de orizont care asigură „colectarea” maximă a radiațiilor solare. Teritoriul Rusiei este împărțit în principal în 4 zone colorate, cele mai „însorite” regiuni ale Rusiei fiind Primorye, sudul regiunii Irkutsk, Buryatia, Tyva.
Regiunile cele mai însorite din Rusia sunt practic la același nivel cu țările europene considerate favorabile pentru utilizarea eficientă a energiei solare în ceea ce privește cantitatea de radiații solare primite. Desigur, Rusia este caracterizată de un climat mult mai rece, care impune unele limitări și cerințe suplimentare pentru instalațiile solare.
