Сказать, что запасы солнечной энергии огромны – не сказать ничего. Электромагнитное излучение бомбардирует нашу планету и не пользоваться им – кощунство. Самый классический способ сбора энергии – фотоэлектрические панели.
Принцип работы фотоэлектрических элементов основан на фотоэффекте в полупроводниковых материалах. В определенных условиях, электрон в полупроводнике может поглотить фотон, при этом высвобождается энергия в виде фототока. Высвобождаемая энергия описывается уравнением:
E=h*ν=(h*c)/λ
Где, E – энергия фотона, ν – частота, h – постоянная Планка, c – скорость света, λ – длина волны.
Полупроводниковый материал представляет собой твердое кристаллическое вещество, связь между которыми обеспечивается валентными электронами. При определенных значениях энергии валентные электроны высвобождаются, обеспечивая проводимость. Зона значений энергий между связанным и свободным состояниями называется энергетической щелью. Это объясняет уникальные свойства полупроводников.
В них число электронов в зоне проводимости меняются в зависимости от таких факторов, как температура, электрическое и магнитное поля.
Фотон попадающий на фотоэлектрический элемент передают свою энергию электрону, и может вывести его на более высокий энергетический уровень, изменив его состояние. Это обеспечивает электрический ток. Однако это произойдет только в том случае, если энергия фотона обеспечит преодоление энергетической щели. Кроме того, электрон в зоне проводимости может потерять часть своей энергии и вернуться в начальное состояние.
Идеальный кристаллический полупроводник должен состоять только из определенных атомов. Используются следующие материалы: Кремний (Si), Германий (Ge), Галлий-Мышьяк (GaAs), Кадмий-Теллур (CdTe), и даже Индий-Галлий-Селен (InGaSe). Самым дешевым вариантом является кремний.
Таким образом, когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри проводника, обеспечивая разность потенциалов. Созданное электрическое поле, направляет свободные электроны. Появляется электрический ток. Если приложить токосъемник к верху и низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам.
Вольтамперная характеристика лучше всего характеризует работу фотоэлектрической ячейки:
Точка перегиба на ВАХ – точка максимальной мощности. Это и есть рабочая точка фотоэлектрической панели, контроллер поиска точки максимальной мощности (MPPT) обеспечивает этот режим работы. Принцип работы MPPT контроллера следующий: проводится периодическое полное сканирование всей вольт-амперной характеристики солнечной батареи(вид вольтамперной характеристики представлен выше), обычно раз в минуту, находится точка максимальной мощности. Точка максимальной мощности может меняться в зависимости от инсоляции, главной задачей MPPT контроллера является получение максимального количества энергии в солнечную/пасмурную погоду, или с наступлением вечера. При смене времени суток с дневного на вечернее падает приход солнечной радиации, соответственно необходимо искать новую точку максимальной мощности. Контроллер сдвигает рабочую точку на новое напряжение. Если при этом мощность больше, то это точка является новой рабочей. Процесс повторяется в течении всего времени светового дня. Различные производители подбирают параметры поиска – глубину и частоту итераций.
Точка напряжения холостого хода характеризует напряжение элемента в солнечную погоду без нагрузки. Напряжение холостого хода это напряжение между токоотводами при бесконечно большом сопротивлении между ними (то есть разрыв цепи), следовательно из закона Ома вытекает, что напряжение холостого хода является максимальным напряжением элемента.
Для преобразования постоянного тока в переменный нужен инвертор, так как в сеть мы можем поставлять только переменный ток. Но инверторы могут работать только при очень узких входных параметрах. Для того, чтобы их обеспечить требуется DC/DC преобразователь — инструмент с помощью которого фактический постоянный ток адаптируется под требуемые значения. Помимо этого, он выполняет такую полезную задачу, как отслеживание точки макс. мощности (MPPT). Это позволяет модулям работать эффективнее.
Это ключевой параметр системы, он определяет качество электрической энергии, а также КПД преобразования тока. В инверторе используются транзисторы и тиристоры, закрытие и открытие которых обеспечивает смену направления тока. Для управления транзисторами чаще всего используется числовое программное управление, то есть транзисторы могут открываться и закрываться тысячи раз в секунды. На выходе получается необходимая синусоида с частотой 50 Гц. Переменный ток из наших розеток.
Ожидание и Реальность.
При этом, с какой бы частотой не работали транзисторы и какие бы алгоритмы работы не были использованы, из инвертора невозможно получить идеально гладкую синусоиду, которую генерируют электростанции с синхронными генераторами и которая теоретически должна быть в сети. Отличие фактической синусоиды от идеальной вызывают так называемые “высшие гармоники” — синусоиды с частотой выше 50 герц. Их частота выше в Х раз, где Х принимает нечётные значения. Наибольшее действие имеют 3-я, 5-я, и 7-я гармоники. На искажение идеальной синусоиды тратиться некоторая мощность, которую называют “деформирующей”. Из этого следует, что для передачи того же количество мощности активной необходимо увеличивать общую мощность, что сказывается на всех элементах электрической сети и вызывает дополнительные потери при передачи энергии. Также наличие высших гармоник вызывает ряд проблем, например проблемы при старте и работе электродвигателей.
Данный недостаток фотовольтаики поддаётся решению, одно из которых — использование пассивных фильтров высших гармоник. Однако, вещь это достаточно дорогая и вносит существенную часть стоимости.
Где S — общая мощность, P — активная, Q — реактивная, T — искажающая
https://vk.com/century_arch - Сообщество "Стройка века"
https://century-arch.ru/ - Сайт сообщества "Стройка века"