[Научно-популярное] Фотовольтаика
Автор
Сообщение
news_bot ®
Стаж: 6 лет 9 месяцев
Сообщений: 27286
Автор: Борис ПлавникЭнергия Солнца. Бесконечная и чуть ли не избыточная энергия. Казалось бы, бери — не хочу. Однако сама по себе эта энергия имеет достаточно низкую плотность (иначе с жизнью на этой планете были бы проблемы), так что человечеству пришлось учиться, как из мягкого солнышка выжать что-то серьёзное. И оно пришло к ряду решений, которые можно свести в две категории: использование напрямую тепловой составляющей солнечного излучения (так называемый SolarThermal) или же использование фотоэффекта — прямой генерации электрического тока при взаимодействии солнечного света и некоторых материалов. Данные штуки получили название «фотовольтаика» (photovoltaic), и именно про них и пойдёт речь в этой статье.ИсторияСвою историю данная область начинает в 1884 (!) году. Именно тогда проживающий в Нью-Йорке мистер Чарльз Фриттс (Charles Fritts) собрал первую фото-панель. Сделана она был из селена с тонким слоем золота поверх. Данное «устройство» оказалось рабочим, но ни про какую экономическую эффективность даже близко речи не шло. Но, как говорится, «маленький шаг…»
Первая фото-панель даже попала на фотоСам по себе фотоэффект наблюдали различные физики по всему миру независимо друг от друга (как это частенько бывает с физическими явлениями). Беккерель в 1839 первым обнаружил нечто подобное в электролитах. Герц и Столетов в конце 80х XIX века довольно много изучали фотоэффект и даже эмпирически вывели пару закономерностей. Тем не менее, внятную теорию, почему это работает, выкатил лишь Альберт «наше всё» Эйнштейн в начале ХХ века. И именно за это в 1921 он и получил нобелевскую премию по физике.Но кроме теории нужны были и точки её приложения. Хоть Фриттс и показал, что такое работает, но это был не самый оптимальный вариант исполнения. Пришлось подождать квантовую механику, на которой базируется теория полупроводников (наиболее годные материалы для этого дела). И которую доводили до ума физики и математики по всему миру во времена интербеллума.Уже после второй мировой, в 50-х, лаборатория Белла в Нью-Джерси сконструировала фотоэлемент, пригодный для промышленного производства. Поначалу его ставили на телефоны, но потом такие штуки появились на калькуляторах и другой мелкой электронике. Впрочем, называть такое «энергетикой» язык не поворачивается, посему перенесёмся в более-менее наше время.Современное состояниеСобственно, сам фотоэлемент. Подавляющее их большинство делается из кристаллического кремния (элементы с КПД 15-20 %), что при современном массовом производстве достаточно доступно и постоянно дешевеет. Есть и другие технологии – аморфный кремний, германий, кадмий-теллур, элементы с туннельными контактами… (тут хорошо разобрано: https://habr.com/ru/post/202650/) Теоретически они дают лучший КПД (переваливает за х3 от кристаллических кремниевых) и меньшее использование материала, но для массового производства они пока что слишком дороги. Далее будет идти речь только о кристаллических элементах.
Элементы из кристаллического кремния в свою очередь делятся на два типа. Поли- (слева) и моно- (справа) кристаллические. Разница в данном контексте несущественная.Из-за того, что с них надо ещё собрать ток, элементы делаются достаточно маленькими, на мощность около 5 ватт. На них наносится слой припоя (который закрывает часть активной площади элемента), различные антиотражающие покрытия - и элементы готовы к соединению в модуль. Сам по себе фотоэлемент – источник постоянного тока. А такие вещи профитнее соединять последовательно. А что мы помним из школы про последовательное соединение в электрической цепи? Ток такой цепи един. Отсюда следует первая проблема этого дела – если ток одним фотоэлементом по какой-либо причине упадёт (заводской брак, упавший листик, снег, тень от не оптимальной установки и тд.) – падает мощность всего модуля. Частично это фиксится последовательно-параллельным соединением (например, на условном модуле 4 х 10 элементов «столбы» по 10 соединены последовательно, а между собой – параллельно), частично – байпас диодами. Но диоды на каждый элемент дороговато…Сам модуль – это не просто фотоэлементы. Схематический разрез можно увидеть на схеме ниже. Слой EVA вытесняет воздух от фотоэлементов во время производства, и вместе с тедларом защищает начинку от непогоды и атмосферы. По массе примерно 3,5% приходится на кремний и припои (в основном — серебро и свинец), остальное… — остальное. Производство кремния (даже таких небольших дощечек) и алюминиевой рамы – очень энергозатратное мероприятие, из-за чего электростанции далеко не сразу отбивают энергию, затраченную на их производство.
Схематический разрез модуляДалее, много модулей соединяются вместе и образуют собственно электростанцию (поле). Разумеется, их тоже надо как-то посоединять между собой и оснастить электронными преобразователями. Для начала нужен инвертор, так как в сеть мы можем лить только переменное напряжение. Но инверторы умеют работать только при очень узких входных параметрах, так что нам нужен ещё и DC/DC преобразователь — такая штука, что из фактического постоянного тока делает постоянный ток с такими параметрами, которыми можно «кормить» инвертор. Помимо этого он выполняет такую полезную штуку, как отслеживание точки макс. мощности (MPPT), что позволяет модулям работать эффективнее. Фактически они в одной коробке, но суть в том, что это не просто инвертор DC/AC.Теоретически тут работают те же положения, что и двумя абзацами выше. Всё последовательно и в один инвертор — дёшево, но проблемы одного модуля влияют на всю электростанцию. Инвертор на каждый модуль — дорого. Компромисс где-то посередине. Я недавно проезжал мимо одной фотоэлектростанции, и на ней в один инвертор было подключено 9 модулей. В любом случае такие преобразователи — не очень хорошая вещь для электросетей вследствие влияния высших гармоник, что создаёт определённые проблемы.Далее, в дело вступает погода. Капитан Очевидность сообщает, что Солнце светит только днём, притом в полдень хорошо, а утром и вечером — хуже. А ночью не светит вообще. Следовательно, все эти штуки работают днём с чётким максимумом производства в полдень. Реальный график выработки можно посмотреть чуть ниже. Там же отличия летней выработки от зимней. Разумеется, облачность также влияет на это дело. Соответственно, для всяких Питеров с пятью солнечными днями в году фотовольтаика — не лучшее решение.
Дневной график мощность солнечного излучения по часам в июне для координат ~50° с.ш. ~14.5° в.д. (Чехия) и оптимально наклонённой плоскости (ровно на юг под углом 35°) Три линии на графике — общее, прямое и рассеянное излучение (global, direct и diffuse соответственно). Данные получены с помощью сервиса PVGIS. Раздел Tools → Interactive tools → Daily Data. Можете посмотреть на ситуация в своём городе или на даче)
То же самое для декабряЧтобы как-то оценивать и сравнивать различные типы электростанций, энергетики придумали такую штуку, как «коэффициент использования установленной мощности», КИУМ. Это отношение реально произведённой энергии к той, что могла бы произвести электростанция, работай она на полную мощность весь год без остановок вообще. Выражается в процентах или часах. Например, у угольных электростанций этот параметр находится на уровне ~60%, у АЭС — ~85%. У фото — около 10% (в случае отсутствия и своевременного устранения проблем, описанных выше). Это на условиях страны пива, то есть примерно 50° северной широты. Дальше на север хуже, на юг — лучше.Также окружающая температура влияет на эффективность выработки энергии. Чем выше температура — тем хуже КПД. Примерно -0,5%/1°C. Тем не менее, этот эффект меньше, чем от погодных и географических факторов, и пустыни таки лучшие места для фотополей. Идеальным местом была бы ледяная пустошь на экваторе, но такое не на этой планете.
Крупнейшая в мире фотоэлектростанция. Находится в пустыне Тэнгэр в Китае (Tengger Desert Solar Park), имеет установленную мощность чуть больше 1500 МВт и занимает 43 квадратных километра, что есть чуть больше четверти Мурманска, напримерА теперь вопрос: насколько это круто? Ответ: от «плохо» к «приемлемо». Набившие оскомину ветряки много лучше фотовольтаики в целом. Условная бесплатность нифига не бесплатная в энергетическом плане и рентабельность его довольно посредственная. Производство зависит от погоды и её ВНЕЗАПНЫХ капризов. Из-за инверторов качество энергии такое себе, плюс черные модули неслабо греются и соответственно греют воздух над собой. Координация с распределяющей сетью вызывает большие проблемы, в том числе из-за местного законодательства. Но с другой стороны технологический и научный прогресс не стоит на месте, массовое производство в общем и целом способствует внедрению новинок, и может скоро мы увидим какой-то серьёзный прорыв в этой области. А пока что данным способом производится около 2,8% от мирового потребления на электростанциях общей мощностью примерно в 500 ГВт.Впрочем, есть места, где использование солнечных панелей очень хорошо себя оправдывает. В космосе. Там, наверху, нет атмосферы и связанных с этим проблем. Там нет необходимости координировать выработку с общей сетью, а параметры можно подстроить под конкретного потребителя (оборудование космического аппарата). Производство энергии можно прикинуть намного более точно, чем на Земле, ибо сверху оно зависит от конфигурации орбиты, а не от сиюминутных капризов погоды. Не надо таскать здоровенную раму, а температура очень низкая. Да, есть проблема с микрометеоритами, которые могут повредить отдельные элементы, но от этого никуда не деться. Но главный плюс — это почти полное отсутствие альтернатив, хе-хе. Всё остальное не подходит по длиннющему списку самых различных причин. За исключением РИТЭГов, смысл которых в прямом преобразовании тепловой энергии (выделяемой при естественном распаде радиоизотопов) в электрическую. Но их мощность и эффективность оставляют желать лучшего. Хотя для изучение удалённых объектов солнечной системы РИТЭГ вообще не имеет альтернатив. Пока что)
МКС и её солнечные панелиСобственная мини-фотоэлектростаницияКосмические станции и технологии обработки кремния — это конечно хорошо, но в воздухе повис ещё один вопрос: насколько выгодно прикрутить такое на себе на крышу? В общем и целом — выгодно. С поправкой на место где вы живёте и местное законодательство. Особенно, если у вас умные пылесосы-стиралки-посудомойки, которые можно включить днём в пик производства солнечной энергии. Однако есть в этом один большой нюанс. Цена на электричество настраивается так, чтобы более-менее покрывать расходы дистрибьюторов электроэнергии. Только их расходы на ваше подключение процентов так на 85 фиксированы, а у вас — наоборот. То есть, поставив фотопанели, вы начинаете платить меньше, но при этом нагрузка на сеть и связанные с этим расходы остаются почти такими же. Соответственно, то что вы наэкономите, заплатят ваши соседи, в общем и целом. Или наоборот, если сосед оказался расторопнее. Эту ситуацию можно решить двумя путями: поднять цену на электричество, что рано или поздно приведёт к очень неприятным вещам. Или включить в счёт некую фиксированную плату, которую люди будут платить независимо от того, сколько они спалят энергии. Тем не менее, насколько такая солидарность хороша, правильна или наоборот — меня уже не хватит дать однозначный ответ)Картинка на обложке — Panda Green Energy PV Park, электростанция в виде собственно панд) Также расположена в Китае и имеет мощность порядка 80 МВт.Автор: Борис ПлавникОригинал
===========
Источник:
habr.com
===========
Похожие новости:
- [Научно-популярное] Умные окна заменят кондиционеры и лишат работы промышленных альпинистов
- [Карьера в IT-индустрии, Научно-популярное, Мозг, Здоровье] Выгорание — норма? Часть 2. Подробно про фазы и «Что делать?»
- [Научно-популярное, Астрономия] Планет какого типа во Вселенной больше всего? (перевод)
- [Научно-популярное, Биотехнологии, Химия, Экология] Странная парочка: основа симбиоза гавайского кальмара и светящихся бактерий
- [Научно-популярное] Почему у авокадо большая косточка
- [Научно-популярное, Космонавтика] Военный спутник на GEO. Запуски года: 20 всего, 6 от Китая
- [Научно-популярное, Транспорт] Как в Нью-Йорке тайное метро строили
- [Научно-популярное, Космонавтика] Очередной Starlink. Запуски года: 19 всего, 10 от США
- [Научно-популярное, Космонавтика, Будущее здесь] Оно живое! Или есть ли шанс вдохнуть жизнь в частную российскую космонавтику?
- [Научно-популярное, Физика, Здоровье, Экология] 10 лет аварии на АЭС Фукусима. Последствия и итоги
Теги для поиска: #_nauchnopopuljarnoe (Научно-популярное), #_fotovoltaika (Фотовольтаика), #_solnechnaja_energija (солнечная энергия), #_energetika (энергетика), #_nauchnopopuljarnoe (
Научно-популярное
)
Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Текущее время: 22-Ноя 23:18
Часовой пояс: UTC + 5
| Автор | Сообщение |
|---|---|
|
news_bot ®
Стаж: 6 лет 9 месяцев |
|
|
Автор: Борис ПлавникЭнергия Солнца. Бесконечная и чуть ли не избыточная энергия. Казалось бы, бери — не хочу. Однако сама по себе эта энергия имеет достаточно низкую плотность (иначе с жизнью на этой планете были бы проблемы), так что человечеству пришлось учиться, как из мягкого солнышка выжать что-то серьёзное. И оно пришло к ряду решений, которые можно свести в две категории: использование напрямую тепловой составляющей солнечного излучения (так называемый SolarThermal) или же использование фотоэффекта — прямой генерации электрического тока при взаимодействии солнечного света и некоторых материалов. Данные штуки получили название «фотовольтаика» (photovoltaic), и именно про них и пойдёт речь в этой статье.ИсторияСвою историю данная область начинает в 1884 (!) году. Именно тогда проживающий в Нью-Йорке мистер Чарльз Фриттс (Charles Fritts) собрал первую фото-панель. Сделана она был из селена с тонким слоем золота поверх. Данное «устройство» оказалось рабочим, но ни про какую экономическую эффективность даже близко речи не шло. Но, как говорится, «маленький шаг…»  Первая фото-панель даже попала на фотоСам по себе фотоэффект наблюдали различные физики по всему миру независимо друг от друга (как это частенько бывает с физическими явлениями). Беккерель в 1839 первым обнаружил нечто подобное в электролитах. Герц и Столетов в конце 80х XIX века довольно много изучали фотоэффект и даже эмпирически вывели пару закономерностей. Тем не менее, внятную теорию, почему это работает, выкатил лишь Альберт «наше всё» Эйнштейн в начале ХХ века. И именно за это в 1921 он и получил нобелевскую премию по физике.Но кроме теории нужны были и точки её приложения. Хоть Фриттс и показал, что такое работает, но это был не самый оптимальный вариант исполнения. Пришлось подождать квантовую механику, на которой базируется теория полупроводников (наиболее годные материалы для этого дела). И которую доводили до ума физики и математики по всему миру во времена интербеллума.Уже после второй мировой, в 50-х, лаборатория Белла в Нью-Джерси сконструировала фотоэлемент, пригодный для промышленного производства. Поначалу его ставили на телефоны, но потом такие штуки появились на калькуляторах и другой мелкой электронике. Впрочем, называть такое «энергетикой» язык не поворачивается, посему перенесёмся в более-менее наше время.Современное состояниеСобственно, сам фотоэлемент. Подавляющее их большинство делается из кристаллического кремния (элементы с КПД 15-20 %), что при современном массовом производстве достаточно доступно и постоянно дешевеет. Есть и другие технологии – аморфный кремний, германий, кадмий-теллур, элементы с туннельными контактами… (тут хорошо разобрано: https://habr.com/ru/post/202650/) Теоретически они дают лучший КПД (переваливает за х3 от кристаллических кремниевых) и меньшее использование материала, но для массового производства они пока что слишком дороги. Далее будет идти речь только о кристаллических элементах.  Элементы из кристаллического кремния в свою очередь делятся на два типа. Поли- (слева) и моно- (справа) кристаллические. Разница в данном контексте несущественная.Из-за того, что с них надо ещё собрать ток, элементы делаются достаточно маленькими, на мощность около 5 ватт. На них наносится слой припоя (который закрывает часть активной площади элемента), различные антиотражающие покрытия - и элементы готовы к соединению в модуль. Сам по себе фотоэлемент – источник постоянного тока. А такие вещи профитнее соединять последовательно. А что мы помним из школы про последовательное соединение в электрической цепи? Ток такой цепи един. Отсюда следует первая проблема этого дела – если ток одним фотоэлементом по какой-либо причине упадёт (заводской брак, упавший листик, снег, тень от не оптимальной установки и тд.) – падает мощность всего модуля. Частично это фиксится последовательно-параллельным соединением (например, на условном модуле 4 х 10 элементов «столбы» по 10 соединены последовательно, а между собой – параллельно), частично – байпас диодами. Но диоды на каждый элемент дороговато…Сам модуль – это не просто фотоэлементы. Схематический разрез можно увидеть на схеме ниже. Слой EVA вытесняет воздух от фотоэлементов во время производства, и вместе с тедларом защищает начинку от непогоды и атмосферы. По массе примерно 3,5% приходится на кремний и припои (в основном — серебро и свинец), остальное… — остальное. Производство кремния (даже таких небольших дощечек) и алюминиевой рамы – очень энергозатратное мероприятие, из-за чего электростанции далеко не сразу отбивают энергию, затраченную на их производство.  Схематический разрез модуляДалее, много модулей соединяются вместе и образуют собственно электростанцию (поле). Разумеется, их тоже надо как-то посоединять между собой и оснастить электронными преобразователями. Для начала нужен инвертор, так как в сеть мы можем лить только переменное напряжение. Но инверторы умеют работать только при очень узких входных параметрах, так что нам нужен ещё и DC/DC преобразователь — такая штука, что из фактического постоянного тока делает постоянный ток с такими параметрами, которыми можно «кормить» инвертор. Помимо этого он выполняет такую полезную штуку, как отслеживание точки макс. мощности (MPPT), что позволяет модулям работать эффективнее. Фактически они в одной коробке, но суть в том, что это не просто инвертор DC/AC.Теоретически тут работают те же положения, что и двумя абзацами выше. Всё последовательно и в один инвертор — дёшево, но проблемы одного модуля влияют на всю электростанцию. Инвертор на каждый модуль — дорого. Компромисс где-то посередине. Я недавно проезжал мимо одной фотоэлектростанции, и на ней в один инвертор было подключено 9 модулей. В любом случае такие преобразователи — не очень хорошая вещь для электросетей вследствие влияния высших гармоник, что создаёт определённые проблемы.Далее, в дело вступает погода. Капитан Очевидность сообщает, что Солнце светит только днём, притом в полдень хорошо, а утром и вечером — хуже. А ночью не светит вообще. Следовательно, все эти штуки работают днём с чётким максимумом производства в полдень. Реальный график выработки можно посмотреть чуть ниже. Там же отличия летней выработки от зимней. Разумеется, облачность также влияет на это дело. Соответственно, для всяких Питеров с пятью солнечными днями в году фотовольтаика — не лучшее решение.  Дневной график мощность солнечного излучения по часам в июне для координат ~50° с.ш. ~14.5° в.д. (Чехия) и оптимально наклонённой плоскости (ровно на юг под углом 35°) Три линии на графике — общее, прямое и рассеянное излучение (global, direct и diffuse соответственно). Данные получены с помощью сервиса PVGIS. Раздел Tools → Interactive tools → Daily Data. Можете посмотреть на ситуация в своём городе или на даче)  То же самое для декабряЧтобы как-то оценивать и сравнивать различные типы электростанций, энергетики придумали такую штуку, как «коэффициент использования установленной мощности», КИУМ. Это отношение реально произведённой энергии к той, что могла бы произвести электростанция, работай она на полную мощность весь год без остановок вообще. Выражается в процентах или часах. Например, у угольных электростанций этот параметр находится на уровне ~60%, у АЭС — ~85%. У фото — около 10% (в случае отсутствия и своевременного устранения проблем, описанных выше). Это на условиях страны пива, то есть примерно 50° северной широты. Дальше на север хуже, на юг — лучше.Также окружающая температура влияет на эффективность выработки энергии. Чем выше температура — тем хуже КПД. Примерно -0,5%/1°C. Тем не менее, этот эффект меньше, чем от погодных и географических факторов, и пустыни таки лучшие места для фотополей. Идеальным местом была бы ледяная пустошь на экваторе, но такое не на этой планете.  Крупнейшая в мире фотоэлектростанция. Находится в пустыне Тэнгэр в Китае (Tengger Desert Solar Park), имеет установленную мощность чуть больше 1500 МВт и занимает 43 квадратных километра, что есть чуть больше четверти Мурманска, напримерА теперь вопрос: насколько это круто? Ответ: от «плохо» к «приемлемо». Набившие оскомину ветряки много лучше фотовольтаики в целом. Условная бесплатность нифига не бесплатная в энергетическом плане и рентабельность его довольно посредственная. Производство зависит от погоды и её ВНЕЗАПНЫХ капризов. Из-за инверторов качество энергии такое себе, плюс черные модули неслабо греются и соответственно греют воздух над собой. Координация с распределяющей сетью вызывает большие проблемы, в том числе из-за местного законодательства. Но с другой стороны технологический и научный прогресс не стоит на месте, массовое производство в общем и целом способствует внедрению новинок, и может скоро мы увидим какой-то серьёзный прорыв в этой области. А пока что данным способом производится около 2,8% от мирового потребления на электростанциях общей мощностью примерно в 500 ГВт.Впрочем, есть места, где использование солнечных панелей очень хорошо себя оправдывает. В космосе. Там, наверху, нет атмосферы и связанных с этим проблем. Там нет необходимости координировать выработку с общей сетью, а параметры можно подстроить под конкретного потребителя (оборудование космического аппарата). Производство энергии можно прикинуть намного более точно, чем на Земле, ибо сверху оно зависит от конфигурации орбиты, а не от сиюминутных капризов погоды. Не надо таскать здоровенную раму, а температура очень низкая. Да, есть проблема с микрометеоритами, которые могут повредить отдельные элементы, но от этого никуда не деться. Но главный плюс — это почти полное отсутствие альтернатив, хе-хе. Всё остальное не подходит по длиннющему списку самых различных причин. За исключением РИТЭГов, смысл которых в прямом преобразовании тепловой энергии (выделяемой при естественном распаде радиоизотопов) в электрическую. Но их мощность и эффективность оставляют желать лучшего. Хотя для изучение удалённых объектов солнечной системы РИТЭГ вообще не имеет альтернатив. Пока что)  МКС и её солнечные панелиСобственная мини-фотоэлектростаницияКосмические станции и технологии обработки кремния — это конечно хорошо, но в воздухе повис ещё один вопрос: насколько выгодно прикрутить такое на себе на крышу? В общем и целом — выгодно. С поправкой на место где вы живёте и местное законодательство. Особенно, если у вас умные пылесосы-стиралки-посудомойки, которые можно включить днём в пик производства солнечной энергии. Однако есть в этом один большой нюанс. Цена на электричество настраивается так, чтобы более-менее покрывать расходы дистрибьюторов электроэнергии. Только их расходы на ваше подключение процентов так на 85 фиксированы, а у вас — наоборот. То есть, поставив фотопанели, вы начинаете платить меньше, но при этом нагрузка на сеть и связанные с этим расходы остаются почти такими же. Соответственно, то что вы наэкономите, заплатят ваши соседи, в общем и целом. Или наоборот, если сосед оказался расторопнее. Эту ситуацию можно решить двумя путями: поднять цену на электричество, что рано или поздно приведёт к очень неприятным вещам. Или включить в счёт некую фиксированную плату, которую люди будут платить независимо от того, сколько они спалят энергии. Тем не менее, насколько такая солидарность хороша, правильна или наоборот — меня уже не хватит дать однозначный ответ)Картинка на обложке — Panda Green Energy PV Park, электростанция в виде собственно панд) Также расположена в Китае и имеет мощность порядка 80 МВт.Автор: Борис ПлавникОригинал =========== Источник: habr.com =========== Похожие новости:
Научно-популярное ) |
|
Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Текущее время: 22-Ноя 23:18
Часовой пояс: UTC + 5