Фотоэлектрическая система

Фотоэлектрические системы и компоненты: Вверху: солнечная строка инверторы и другой BOS компонента  · Солнечная батарея на крыше в Гонконге, Китай  · BIPV на балконе в Хельсинки, Финляндия Средний: система на крышу в Бостоне, США  · Westmill солнечный парк в Великобритании  · двухосевой трекер с К модули  · Topaz , одна из крупнейших в мире солнечных электростанций, вид из космоса Внизу: коммерческая фотоэлектрическая система на крыше мощностью  около 400 кВт p · Электростанция на г. Комекура, Япония  · Солнечная фотоэлектрическая система на Цугшпитце , самой высокой вершине горы в Германии.

Фотоэлектрические системы , а также PV система или система солнечной энергии , является система питания предназначен для питания полезной солнечной энергии с помощью солнечных батарей . Он состоит из нескольких компонентов, в том числе солнечных панелей для поглощения и преобразования солнечного света в электричество, солнечного инвертора для преобразования выходной мощности с постоянного тока в переменный , а также монтажных , кабельных и других электрических аксессуаров для настройки рабочей системы. . Он также может использовать систему слежения за солнцем.для повышения общей производительности системы и включения интегрированного решения для аккумуляторов , поскольку ожидается снижение цен на устройства хранения. Строго говоря, солнечная батарея включает в себя только ансамбль солнечных панелей, видимую часть фотоэлектрической системы, и не включает все остальное оборудование, часто обозначаемое как баланс системы (BOS). Поскольку фотоэлектрические системы преобразуют свет непосредственно в электричество, их не следует путать с другими солнечными технологиями, такими как концентрированная солнечная энергия или солнечная энергия , используемые для отопления и охлаждения.

Фотоэлектрические системы варьируются от небольших, устанавливаемых на крыше или встраиваемых в здание систем мощностью от нескольких единиц до нескольких десятков киловатт до крупных электростанций мощностью в сотни мегаватт. В настоящее время большинство фотоэлектрических систем подключены к сети , в то время как автономные или автономные системы составляют небольшую часть рынка.

Работая бесшумно и без каких-либо движущихся частей или выбросов в окружающую среду , фотоэлектрические системы превратились из нишевых рыночных приложений в зрелую технологию, используемую для основного производства электроэнергии. Система на крыше окупает энергию, затраченную на ее производство и установку, в течение 0,7–2 лет и производит около 95 процентов чистой чистой возобновляемой энергии в течение 30-летнего срока службы. ^{[1] : 30 [2] [3]}

Из-за роста фотоэлектрических систем цены на фотоэлектрические системы быстро снизились с момента их появления. Однако они различаются в зависимости от рынка и размера системы. В 2014 году цены на бытовые 5-киловаттные системы в Соединенных Штатах составляли около 3,29 доллара за ватт ^{[4], в} то время как на немецком рынке с высокой степенью проникновения цены на крышные системы мощностью до 100 кВт снизились до 1,24 евро за ватт. ^[5] В настоящее время солнечные фотоэлектрические модули составляют менее половины общей стоимости системы, ^[6] оставляя остальное на оставшиеся компоненты BOS и мягкие затраты, которые включают привлечение клиентов, получение разрешений, инспектирование и подключение, монтажные работы и затраты на финансирование. ^{[7] :14}

Современная система [ править ]

Обзор [ править ]

Фотоэлектрическая система преобразует солнечную радиацию в виде света, в полезную электроэнергию . Он включает солнечную батарею и баланс компонентов системы. Фотоэлектрические системы можно разделить на категории по различным аспектам, таким как подключенные к сети и автономные системы, интегрированные в здание и монтируемые в стойку системы, жилые и коммунальные системы, распределенные и централизованные системы, крыши и наземные системы. , системы слежения и системы с фиксированным наклоном, а также новые построенные и модернизированные системы. Другие различия могут включать: системы с микроинверторами и центральным инвертором, системы, использующие кристаллический кремний, и системы.тонкопленочные технологии и системы с модулями от китайских производителей по сравнению с европейскими и американскими.

Около 99 процентов всех европейских и 90 процентов всех солнечных систем в США подключены к электрической сети , в то время как автономные системы несколько более распространены в Австралии и Южной Корее. ^{[8] : 14} фотоэлектрические системы редко используют аккумуляторные батареи. Это может измениться, поскольку государственные стимулы для распределенного хранения энергии будут реализованы, а инвестиции в решения для хранения постепенно станут экономически выгодными для небольших систем. ^{[9] [10]} Типичная солнечная батарея в жилых помещениях монтируется в стойку на крыше, а не встраивается в крышу или фасад здания, что значительно дороже. Коммунальные солнечные электростанциимонтируются на земле, с фиксированными наклонными солнечными панелями, а не с использованием дорогостоящих устройств слежения. Кристаллический кремний является преобладающим материалом, используемым в 90 процентах солнечных модулей, производимых во всем мире, в то время как его конкурирующая тонкая пленка потеряла долю рынка. ^{[1] : 17-20} Около 70 процентов всех солнечных элементов и модулей производится в Китае и на Тайване, только 5 процентов европейских и американо - производителей . ^{[1] : 11–12} Установленная мощность как для небольших систем на крыше, так и для крупных солнечных электростанций растет быстро и в равных долях, хотя есть заметная тенденция к системам коммунального масштаба, поскольку акцент на новые установки смещается. из Европы в более солнечные регионы, такие как Sunbeltв США, которые в меньшей степени выступают против наземных солнечных ферм, и инвесторы больше обращают внимание на рентабельность. ^{[8] : 43}

Благодаря достижениям в области технологий и увеличению масштабов производства и совершенствованию производства, стоимость фотоэлектрических элементов постоянно снижается. ^[3] Есть несколько миллионов фотоэлектрических систем, распределенных по всему миру, в основном в Европе, из них 1,4 миллиона систем только в Германии ^{[1] : 5} - а также в Северной Америке с 440 000 систем в Соединенных Штатах. ^[11] Эффективность преобразования энергии обычного солнечного модуля увеличилась с 15 до 20 процентов с 2004 года ^{[1] : 17} и фотоэлектрическая система окупает энергию, необходимую для ее производства, примерно за 2 года. В особо облученных местах или при использовании тонкопленочной технологии так называемыйСрок окупаемости энергии сокращается до одного года и менее. ^{[1] : 30–33} Чистые измерения и финансовые стимулы, такие как льготные льготные тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями, также во многих странах оказали большую поддержку установке фотоэлектрических систем. ^[12] levelised стоимость электроэнергии от крупномасштабных фотоэлектрических систем стала конкурировать с традиционными источниками электроэнергии в расширяющемся списке географических регионов, и паритет сетки достигнут примерно 30 различных стран. ^{[13] [14] [15]}

По состоянию на 2015 год быстрорастущий мировой рынок фотоэлектрических систем быстро приближается к отметке 200 ГВт, что примерно в 40 раз превышает установленную мощность в 2006 году. ^[16] Эти системы в настоящее время обеспечивают около 1 процента мирового производства электроэнергии. Ведущими установщиками фотоэлектрических систем с точки зрения мощности в настоящее время являются Китай, Япония и США, в то время как половина мировых мощностей установлена ​​в Европе, при этом Германия и Италия обеспечивают от 7% до 8% своего внутреннего потребления электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических систем. ^[17] Международное энергетическое агентство ожидает, что к 2050 году солнечная энергия станет крупнейшим источником электроэнергии в мире, включая солнечную фотоэлектрическую энергию и концентрированную солнечную тепловую энергию.доля в мировом спросе составляет 16% и 11% соответственно. ^[7]

Grid-соединение [ править ]

Система, подключенная к сети, подключена к более крупной независимой сети (как правило, к электросети общего пользования) и подает энергию непосредственно в сеть. Эта энергия может совместно использоваться жилым или коммерческим зданием до или после точки измерения выручки, в зависимости от того, рассчитывается ли зачисленная выработка энергии независимо от потребления энергии потребителем ( зеленый тариф ) или только на разнице энергии ( чистый учет ). Эти системы различаются по размеру от жилого (2-10 кВт _р ) для солнечных электростанций (до 10 секунд от MW _р ). Это форма децентрализованного производства электроэнергии . Подача электроэнергии в сеть требует преобразования постоянного тока в переменный с помощью специальной синхронизирующейсеточный инвертор . В установках мощностью в киловатт напряжение системы на стороне постоянного тока должно быть максимально допустимым (обычно 1000 В, кроме 600 В в жилых помещениях США) для ограничения омических потерь. Большинство модулей (60 или 72 элемента из кристаллического кремния) генерируют от 160 до 300 Вт при 36 вольт. Иногда необходимо или желательно соединять модули частично параллельно, а не все последовательно. Отдельный набор модулей, соединенных последовательно, называется «цепочкой». ^[18]

Масштаб системы [ править ]

Фотоэлектрические системы обычно подразделяются на три отдельных рыночных сегмента: жилые крыши, коммерческие крыши и наземные коммунальные системы. Их мощность варьируется от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Типичная жилая система составляет около 10 киловатт и устанавливается на наклонной крыше, в то время как коммерческие системы могут достигать мегаваттной мощности и обычно устанавливаются на пологих или даже плоских крышах. Хотя системы, монтируемые на крыше, невелики и имеют более высокую стоимость ватт, чем крупные установки в коммунальном хозяйстве, на них приходится самая большая доля на рынке. Тем не менее, наблюдается растущая тенденция к созданию более крупных электростанций для коммунальных предприятий, особенно в «солнечных» регионах планеты. ^{[8] : 43 [19]}

Шкала полезности

Крупные солнечные электростанции или фермы , работающие на коммунальных предприятиях, являются электростанциями и способны обеспечивать энергией большое количество потребителей. Сгенерированная электроэнергия подается в передающую сеть, питающуюся от центральных генерирующих станций (подключенных к сети или связанных с сетью станций), или в сочетании с одним или несколькими бытовыми генераторами электроэнергии для подачи в небольшую электрическую сеть (гибридная электростанция). В редких случаях произведенная электроэнергия хранится или используется непосредственно островной / автономной установкой. ^{[20] [21]} Фотоэлектрические системы обычно проектируются таким образом, чтобы обеспечить максимальную выработку энергии при определенных инвестициях. Некоторые крупные фотоэлектрические электростанции, такие как Solar Star , Waldpolenz Solar Parkи солнечная ферма Topaz занимают десятки или сотни гектаров и имеют выходную мощность до сотен мегаватт .

Крыша, мобильная и переносная

Небольшая фотоэлектрическая система способна обеспечить достаточно электричеством переменного тока для питания одного дома или изолированного устройства в форме переменного или постоянного тока. Военные и гражданские спутники наблюдения Земли , уличные фонари , строительные и дорожные знаки, электромобили , палатки на солнечных батареях ^[22] и электрические летательные аппараты могут содержать интегрированные фотоэлектрические системы для обеспечения основного или вспомогательного питания.источник в виде переменного или постоянного тока, в зависимости от конструкции и требований к мощности. В 2013 году на крышные системы приходилось 60 процентов установок по всему миру. Тем не менее, наблюдается тенденция отхода от крыш и к фотоэлектрическим системам для коммунальных предприятий, поскольку акцент новых фотоэлектрических установок также смещается из Европы в страны, расположенные в солнечном регионе планеты, где противодействие наземным солнечным фермам менее выражено. ^{[8] : 43} Переносные и мобильные фотоэлектрические системы обеспечивают электроэнергию независимо от подключений к электросети для работы вне сети. Такие системы настолько широко используются на транспортных средствах для отдыха и лодках, что есть розничные торговцы, специализирующиеся на этих приложениях ^[23], и продукты, специально предназначенные для них.^{[24] [25]} Поскольку жилые автофургоны обычно перевозят аккумуляторные батареи и управляют освещением и другими системами с номинальным напряжением 12 В постоянного тока, системы жилых автофургонов обычно работают в диапазоне напряжений, позволяющем заряжать 12-вольтовые батареи напрямую, поэтому добавление дополнительного Для фотоэлектрической системы требуются только панели, контроллер заряда и проводка. Солнечные системы на транспортных средствах для отдыха обычно ограничены в мощности физическими размерами пространства на крыше дома на колесах. ^[26]

Интегрированное здание

В городских и пригородных районах фотоэлектрические батареи часто используются на крышах домов, чтобы дополнить энергопотребление; часто здание будет подключено к электросети , и в этом случае энергия, произведенная фотоэлектрической панелью, может быть продана обратно коммунальному предприятию в виде соглашения о чистом измерении . Некоторые коммунальные предприятия используют крыши коммерческих клиентов и телефонные столбы для поддержки использования фотоэлектрических панелей. ^[27] Солнечные деревья - это массивы, которые, как следует из названия, имитируют внешний вид деревьев, создают тень, а ночью могут функционировать как уличные фонари .

Производительность [ править ]

Неопределенность в доходах с течением времени в основном связана с оценкой солнечного ресурса и производительностью самой системы. В лучшем случае неопределенности обычно составляют 4% для межгодовой изменчивости климата, 5% для оценки солнечных ресурсов (в горизонтальной плоскости), 3% для оценки облучения в плоскости массива, 3% для мощности рейтинг модулей, 2% для потерь из-за грязи и загрязнения , 1,5% для потерь из-за снега и 5% для других источников ошибок. Выявление управляемых потерь и реагирование на них имеет решающее значение для выручки и эффективности эксплуатации и технического обслуживания. Мониторинг производительности массива может быть частью договорных соглашений между владельцем массива, строителем и коммунальным предприятием, покупающим произведенную энергию. ^{[ необходима цитата ]}Метод создания «синтетических дней» с использованием легкодоступных данных о погоде и проверки с использованием открытого солнечного испытательного поля на открытом воздухе позволяет прогнозировать работу фотоэлектрических систем с высокой степенью точности. ^[28] Этот метод может быть использован для определения механизмов потерь в локальном масштабе, например, из-за снега ^{[29] [30]} или влияния поверхностных покрытий (например, гидрофобных или гидрофильных ) на загрязнение или снегопад. ^[31] (Хотя в условиях сильного снегопада и сильных помех со стороны грунта ежегодные потери от снега могут составлять 30%. ^[32]) Доступ к Интернету позволил еще больше улучшить мониторинг энергопотребления и коммуникации. Выделенные системы доступны от ряда поставщиков. Для солнечных фотоэлектрических систем, в которых используются микроинверторы (преобразование постоянного тока в переменный на уровне панели), данные о мощности модуля предоставляются автоматически. Некоторые системы позволяют настраивать предупреждения о производительности, которые запускают предупреждения по телефону / электронной почте / тексту при достижении пределов. Эти решения предоставляют данные для владельца системы и установщика. Установщики могут удаленно контролировать несколько установок и сразу видеть статус всей установленной базы. ^{[ необходима цитата ]}

Компоненты [ править ]

Фотоэлектрическая система для жилого, коммерческого или промышленного энергоснабжения состоит из солнечной батареи и ряда компонентов, которые часто обозначаются как баланс системы (BOS). Этот термин является синонимом « Баланс завода ». Qv. Компоненты BOS включают оборудование для регулирования мощности и конструкции для монтажа, как правило, один или несколько преобразователей мощности постоянного тока в переменный , также известных как инверторы , устройство накопления энергии, стеллажную систему, которая поддерживает солнечная батарея, электропроводка и соединения, а также монтаж других компонентов.

Необязательно, баланс системы может включать в себя некоторые или все из следующих действий : возобновляемых источников энергии кредитной метр доход класса, максимальная точка питания трекер (MPPT), аккумулятор системы и зарядное устройство , GPS солнечный трекер , программное обеспечение управления энергией , солнечное излучение датчиков, анемометр , или специальные аксессуары, разработанные для удовлетворения особых требований владельца системы. Кроме того, для системы CPV требуются оптические линзы или зеркала, а иногда и система охлаждения.

Термины «солнечная батарея» и «фотоэлектрическая система» часто неправильно используются как синонимы, несмотря на то, что солнечная батарея не охватывает всю систему. Более того, «солнечная панель» часто используется как синоним «солнечного модуля», хотя панель состоит из цепочки из нескольких модулей. Термин « солнечная система » также часто используется неправильно для фотоэлектрической системы.

Солнечная батарея [ править ]

Строительными блоками фотоэлектрической системы являются солнечные элементы. Солнечный элемент - это электрическое устройство, которое может напрямую преобразовывать энергию фотонов в электричество. Существует три технологических поколения солнечных элементов: первое поколение (1G) кристаллических кремниевых элементов (c-Si), второе поколение (2G) тонкопленочных элементов (таких как CdTe , CIGS , аморфный кремний и GaAs ), и третьего поколения (3G) из органического , сенсибилизированных красителем , перовскита и многопереходных клетки . ^{[33] [34]}

Обычные солнечные элементы c-Si , обычно соединенные последовательно, заключены в солнечный модуль, чтобы защитить их от погодных условий. Модуль состоит из закаленного стекла в качестве крышки, мягкого и гибкого герметика , заднего заднего листа из атмосферостойкого и огнестойкого материала и алюминиевой рамки по внешнему краю. Электрически связанные и установленные на несущей конструкции солнечные модули образуют цепочку модулей, часто называемую солнечной панелью. Солнечная батарея состоит из одной или нескольких таких панелей. ^[35]Фотоэлектрическая батарея, или солнечная батарея, представляет собой связанный набор солнечных модулей. Мощность, которую может производить один модуль, редко бывает достаточно для удовлетворения требований дома или бизнеса, поэтому модули соединяются вместе, образуя массив. В большинстве фотоэлектрических массивов используется инвертор для преобразования мощности постоянного тока, производимой модулями, в переменный ток, который может питать фонари , двигатели и другие нагрузки. Модули в фотоэлектрической матрице обычно сначала подключаются последовательно для получения желаемого напряжения ; затем отдельные струны подключаются параллельно, чтобы позволить системе производить больше тока.. Солнечные панели обычно измеряются в ваттах в соответствии с STC (стандартные условия тестирования) или PTC (условия тестирования PVUSA) . ^[36] Типичные характеристики панели варьируются от менее 100 Вт до более 400 Вт. ^[37] Рейтинг массива состоит из суммы рейтингов панели в ваттах, киловаттах или мегаваттах.

Модуль и эффективность [ править ]

Типичный фотоэлектрический модуль на 150 Вт имеет размер около квадратного метра. Можно ожидать, что такой модуль будет производить 0,75 киловатт-часа (кВтч) каждый день в среднем с учетом погоды и широты при инсоляции 5 солнечных часов в день. Мощность и срок службы модуля снизились из-за повышения температуры. Позволяя окружающему воздуху проходить через фотоэлектрические модули и, если возможно, позади них, эта проблема решается. Эффективный срок службы модуля обычно составляет 25 лет и более. ^[38] Срок окупаемости инвестиций в фотоэлектрическую солнечную установку сильно различается и, как правило, менее полезен, чем расчет окупаемости инвестиций . ^[39]Хотя обычно он составляет от 10 до 20 лет, период финансовой окупаемости может быть намного короче при наличии стимулов. ^[40]

Влияние температуры на фотоэлектрические модули обычно количественно оценивается с помощью некоторых коэффициентов, связывающих изменения напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и максимальной мощности с изменениями температуры. В этой статье представлены подробные экспериментальные рекомендации по оценке температурных коэффициентов. ^[41]

Из-за низкого напряжения отдельного солнечного элемента (обычно около 0,5 В) несколько элементов подключаются последовательно (см. Также медь, используемую в фотоэлектрических системах ) при производстве «ламината». Ламинат собирается в защитный кожух, защищающий от атмосферных воздействий, таким образом образуя фотоэлектрический модуль или солнечную панель . Затем модули могут быть объединены в фотоэлектрическую матрицу. В 2012 году солнечные панели, доступные для потребителей, имеют КПД примерно до 17% ^{[42], в} то время как коммерчески доступные панели могут достигать 27%. Было зарегистрировано, что группа из Института Фраунгофера солнечных энергетических системсоздали ячейку, эффективность которой может достигать 44,7%, что делает надежды ученых на достижение порога эффективности в 50% намного более реальными. ^{[43] [44] [45] [46]}

Затенение и грязь [ править ]

Выходной электрический сигнал фотоэлемента чрезвычайно чувствителен к затемнению («эффект рождественского света»). ^{[47] [48] [49]} Когда даже небольшая часть ячейки, модуля или массива затенена, а остальная часть находится на солнечном свете, выходная мощность резко падает из-за внутреннего «короткого замыкания» (электроны меняют направление движения через заштрихованная часть pn перехода). Если ток, потребляемый последовательной цепочкой ячеек, не больше, чем ток, который может быть произведен заштрихованной ячейкой, ток (и, следовательно, мощность), развиваемый цепочкой, ограничивается. Если от других ячеек в цепочке доступно достаточное напряжение, ток будет проходить через ячейку, разрушая соединение в заштрихованной части. Это напряжение пробоя в обычных элементах составляет от 10 до 30 вольт. Вместо увеличения мощности, производимой панелью, затемненный элемент поглощает энергию, превращая ее в тепло. Поскольку обратное напряжение заштрихованной ячейки намного больше, чем прямое напряжение освещенной ячейки, одна заштрихованная ячейка может поглощать мощность многих других ячеек в цепочке, непропорционально влияя на вывод панели. Например, заштрихованный элемент может упасть на 8 вольт вместо добавления 0,5 вольт при определенном уровне тока,таким образом поглощая энергию, производимую 16 другими ячейками.^[50] Таким образом, важно, чтобы фотоэлектрическая установка не была затенена деревьями или другими препятствиями.

Несколько методов были разработаны , чтобы определить затенение потери от деревьев в фотоэлектрических системах по сравнению с обеих больших областей , используя Лидарные , ^[51] , но и на индивидуальном уровне системы с использованием SketchUp . ^[52] Большинство модулей имеют обходные диоды между каждой ячейкой или цепочкой ячеек, которые минимизируют эффекты затенения и теряют мощность только затененной части массива. Основная задача обходного диода - устранять горячие точки, которые образуются на ячейках, которые могут вызвать дальнейшее повреждение массива и вызвать возгорание.

Солнечный свет может поглощаться пылью, снегом или другими примесями на поверхности модуля (все вместе это называется загрязнением ). Загрязнение уменьшает свет, падающий на ячейки, что, в свою очередь, снижает выходную мощность фотоэлектрической системы. Потери от загрязнения со временем накапливаются и могут стать большими без надлежащей очистки. В 2018 году глобальные ежегодные потери энергии из-за загрязнения оценивались как минимум в 3–4%. ^[53] Однако потери от загрязнения сильно различаются от региона к региону и внутри регионов. ^{[54] [55] [56] [57]} Поддержание чистой поверхности модуля повысит выходную мощность в течение всего срока службы фотоэлектрической системы. В одном исследовании, проведенном в богатой снегом местности ( Онтарио), очистка плоских солнечных панелей через 15 месяцев увеличила их производительность почти на 100%. Тем не менее, решетки с наклоном 5 ° были достаточно хорошо очищены дождевой водой. ^{[30] [58]} Во многих случаях, особенно в засушливых регионах или в непосредственной близости от пустынь, дорог, промышленности или сельского хозяйства, регулярная очистка солнечных панелей является рентабельной . В 2018 году предполагаемая потеря доходов из-за загрязнения составила от 5 до 7 миллиардов евро. ^[53]

Долговременная надежность фотоэлектрических модулей имеет решающее значение для обеспечения технической и экономической жизнеспособности фотоэлектрических модулей как успешного источника энергии. Анализ механизмов деградации фотоэлектрических модулей является ключевым для обеспечения текущего срока службы, превышающего 25 лет. ^[59]

Инсоляция и энергия [ править ]

Солнечная инсоляция состоит из прямого, диффузного и отраженного излучения . Коэффициент поглощения фотоэлемента определяется как доля падающего солнечного излучения, которое поглощается элементом. ^[60] В полдень на безоблачный день на экваторе, сила солнца составляет около 1 кВт / м ² , ^[61] на поверхности Земли, в плоскости, перпендикулярной солнечных лучей. Таким образом, фотоэлектрические массивы могут отслеживать солнце каждый день, чтобы значительно улучшить сбор энергии. Однако устройства слежения увеличивают стоимость и требуют технического обслуживания, поэтому для фотоэлектрических массивов чаще используются фиксированные крепления, которые наклоняют массив и смотрят на солнечный полдень.(приблизительно на юг в Северном полушарии или на север в Южном полушарии). Угол наклона от горизонтали может быть изменен в зависимости от сезона ^[62], но если он фиксирован, его следует настроить таким образом, чтобы обеспечить оптимальную выходную мощность массива в течение периода пикового потребления электроэнергии в типичном году для автономной системы. Этот оптимальный угол наклона модуля не обязательно совпадает с углом наклона для максимальной годовой выработки энергии антенной решеткой. ^[63] Оптимизация фотоэлектрической системы для конкретной среды может быть затруднена, поскольку должны быть приняты во внимание вопросы солнечного потока, загрязнения и потерь снега. Кроме того, более поздние работы показали, что спектральные эффекты могут играть роль в выборе оптимального фотоэлектрического материала. Например, спектральное альбедоможет играть значительную роль в производительности в зависимости от поверхности вокруг фотоэлектрической системы ^[64] и типа материала солнечного элемента. ^[65] Для погоды и широт США и Европы типичная инсоляция колеблется от 4 кВтч / м ² / день в северном климате до 6,5 кВтч / м ² / день в самых солнечных регионах. Фотоэлектрическая установка в северных широтах Европы или США может рассчитывать на выработку 1 кВтч / м ² / день. Типичная фотоэлектрическая установка мощностью 1 кВт в Австралии или южных широтах Европы или США может производить 3,5–5 кВтч в день, в зависимости от местоположения, ориентации, наклона, инсоляции и других факторов. В Сахарепустыня, с меньшей облачностью и лучшим солнечным углом, в идеале можно было бы получить около 8,3 кВтч / м ² / день, при условии, что почти всегда присутствующий ветер не дует на агрегаты песок. Площадь пустыни Сахара составляет более 9 млн км ² . 90 600 км ² , или около 1%, могут вырабатывать столько же электроэнергии, сколько все электростанции мира вместе взятые. ^[66]

Монтаж [ править ]

Модули собираются в массивы на какой-либо системе крепления, которую можно классифицировать как крепление на земле, на крыше или на опоре. Для солнечных парков большая стойка устанавливается на земле, а модули устанавливаются на стойку. Для зданий разработано множество различных стеллажей для скатных крыш. Для плоских крыш используются стеллажи, урны и строительные комплексные решения. ^{[ необходима цитата ]}Стойки для солнечных панелей, установленные на опорах, могут быть стационарными или подвижными, см. Трекеры ниже. Крепление сбоку на опоре подходит для ситуаций, когда на опоре есть что-то еще установленное наверху, например, осветительный прибор или антенна. Монтаж на опоре поднимает то, что в противном случае было бы наземным массивом над тенями от сорняков и домашним скотом, и может удовлетворять требованиям электрических норм в отношении недоступности открытой проводки. Панели, смонтированные на столбах, открыты для большего количества охлаждающего воздуха на их нижней стороне, что увеличивает производительность. Множество стоек с опорными стойками можно превратить в навес для парковки или другую затененную конструкцию. Стойка, которая не следует за солнцем слева направо, может допускать сезонную корректировку вверх или вниз.

Кабели [ править ]

Из-за того, что солнечные кабели используются на открытом воздухе, они устойчивы к УФ- излучению и чрезвычайно высоким колебаниям температуры и, как правило, не подвержены влиянию погодных условий. Стандарты , определяющие использование электрической проводки в фотоэлектрических системах включают IEC 60364 со стороны Международной электротехнической комиссией , в разделе 712 «Солнечный фотоэлектрические (PV) системы электроснабжения», британский стандарт BS 7671 , включая положение , касающееся микропроизводство и фотогальванические системы, и стандарт США UL4703 , в теме 4703 «Фотоэлектрические провода».

Трекер [ править ]

Солнечная система слежения наклонов панели солнечных батарей в течение всего дня. В зависимости от типа системы слежения панель направлена ​​либо прямо на солнце, либо на самую яркую область частично затененного неба. Трекеры значительно повышают производительность ранним утром и ближе к вечеру, увеличивая общее количество энергии, производимой системой примерно на 20-25% для одноосного трекера и примерно на 30% или более для двухосного трекера, в зависимости от широты. ^{[67] [68]} Трекеры эффективны в регионах, которые получают большую часть солнечного света напрямую. В рассеянном свете (например, в облаках или тумане) отслеживание не имеет значения или не имеет большого значения. Потому что самая концентрированная фотоэлектрическаясистемы очень чувствительны к углу солнечного света, системы слежения позволяют им вырабатывать полезную мощность в течение более короткого периода времени каждый день. ^[69] Системы слежения повышают производительность по двум основным причинам. Во-первых, когда солнечная панель расположена перпендикулярно солнечному свету, она получает больше света на своей поверхности, чем если бы она находилась под углом. Во-вторых, прямой свет используется более эффективно, чем угловой. ^[70] Специальные антибликовые покрытия могут повысить эффективность солнечных панелей для прямого и углового света, что несколько снижает эффективность отслеживания. ^[71]

Трекеры и датчики для оптимизации производительности часто рассматриваются как дополнительные, но они могут увеличить жизнеспособный результат до 45%. ^{[72] В} массивах, которые достигают или превышают один мегаватт, часто используются солнечные трекеры. Учитывая облака и тот факт, что большая часть мира находится не на экваторе, а солнце садится вечером, правильным показателем солнечной энергии является инсоляция - среднее количество киловатт-часов на квадратный метр в день. Для погоды и широт США и Европы типичная инсоляция колеблется от 2,26 кВтч / м ² / день в северном климате до 5,61 кВтч / м ² / день в самых солнечных регионах. ^{[73] [74]}

Для больших систем энергия, получаемая при использовании систем слежения, может перевесить дополнительную сложность. Для очень больших систем дополнительное обслуживание отслеживания является существенным недостатком. ^[75] Отслеживание не требуется для плоских панелей и фотоэлектрических систем с низкой концентрацией . Для фотоэлектрических систем с высокой концентрацией требуется двухосное отслеживание. ^[76] Ценовые тенденции влияют на баланс между добавлением большего количества стационарных солнечных панелей и меньшим количеством отслеживаемых панелей.

По мере улучшения цен, надежности и производительности одноосных трекеров, системы устанавливались в все больший процент проектов коммунального масштаба. Согласно данным WoodMackenzie / GTM Research, глобальные поставки солнечных трекеров достигли рекордных 14,5 гигаватт в 2017 году. Это представляет собой рост на 32 процента по сравнению с прошлым годом, с аналогичным или большим ростом, прогнозируемым по мере ускорения масштабного развертывания солнечных батарей. ^[77]

Инвертор [ править ]

Системы, предназначенные для подачи переменного тока (AC), например, подключенные к сети приложения, нуждаются в инверторе для преобразования постоянного тока (DC) от солнечных модулей в переменный ток. Инверторы, подключенные к сети, должны подавать электроэнергию переменного тока в синусоидальной форме, синхронизированную с частотой сети, ограничивать питающее напряжение до уровня, не превышающего напряжение сети, и отключаться от сети, если напряжение сети отключено. ^[78] Изолированным инверторам нужно только вырабатывать регулируемые напряжения и частоты синусоидальной формы, поскольку не требуется синхронизации или координации с электросетью.

Солнечный инвертор может подключаться к череде солнечных панелей. В некоторых установках к каждой солнечной панели подключен солнечный микроинвертор . ^[79] По соображениям безопасности автоматический выключатель предусмотрен как на стороне переменного, так и на стороне постоянного тока, чтобы обеспечить техническое обслуживание. Выход переменного тока может быть подключен через счетчик электроэнергии в сеть общего пользования. ^[80] Количество модулей в системе определяет общую мощность постоянного тока, которую может генерировать солнечная батарея; тем не менее, инвертор в конечном итоге определяет количество ватт переменного тока, которое может быть распределено для потребления. Например, фотоэлектрическая система, содержащая 11 киловатт постоянного тока (кВт _{постоянного тока}) стоимость фотоэлектрических модулей, соединенных с одним инвертором переменного тока мощностью 10 киловатт (кВт _{переменного тока} ), будет ограничена мощностью инвертора 10 кВт. По состоянию на 2019 год эффективность преобразования для современных преобразователей достигла более 98 процентов. В то время как струнные инверторы используются в фотоэлектрических системах жилых и средних коммерческих, центральные инверторы охватывают большой коммерческий рынок и рынок коммунальных услуг. Доля рынка центральных и струнных инверторов составляет около 44 процентов и 52 процентов, соответственно, и менее 1 процента для микро-инверторов. ^[81]

Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) - это метод, который инверторы, подключенные к сети, используют для получения максимально возможной мощности от фотоэлектрической батареи. Для этого система MPPT инвертора в цифровом виде производит замеры постоянно меняющейся выходной мощности солнечной батареи и применяет соответствующее сопротивление, чтобы найти оптимальную точку максимальной мощности . ^[82]

Защита от изолирования - это механизм защиты, позволяющий немедленно выключить инвертор, предотвращая его генерацию переменного тока, когда подключение к нагрузке больше не существует. Это происходит, например, при отключении электроэнергии. Без этой защиты линия питания превратилась бы в «остров» с мощностью, окруженный «морем» обесточенных линий, поскольку солнечная батарея продолжает подавать мощность постоянного тока во время отключения электроэнергии. Островки представляют опасность для коммунальных служб, которые могут не осознавать, что цепь переменного тока все еще находится под напряжением, и могут препятствовать автоматическому повторному подключению устройств. ^[83] Функция Anti-Islanding не требуется для полных автономных систем.

Батарея [ править ]

Несмотря на то, что фотоэлектрические системы по-прежнему дороги, они все чаще используют перезаряжаемые батареи для хранения излишков, которые затем можно использовать ночью. Батареи, используемые для хранения в сети, также стабилизируют электрическую сеть , выравнивая пиковые нагрузки , и играют важную роль в интеллектуальной сети , поскольку они могут заряжаться в периоды низкого спроса и подавать накопленную энергию в сеть, когда спрос высок.

Общие технологии аккумуляторов, используемые в современных фотоэлектрических системах, включают свинцово-кислотные аккумуляторы с регулируемым клапаном - модифицированную версию обычных свинцово-кислотных аккумуляторов , никель-кадмиевые и литий-ионные.батареи. По сравнению с другими типами свинцово-кислотные батареи имеют более короткий срок службы и более низкую плотность энергии. Однако из-за их высокой надежности, низкого саморазряда, а также низких капиталовложений и затрат на техническое обслуживание они в настоящее время являются преобладающей технологией, используемой в небольших домашних фотоэлектрических системах, поскольку литий-ионные батареи все еще разрабатываются и примерно в 3,5 раза больше. дороже свинцово-кислотных аккумуляторов. Кроме того, поскольку накопители для фотоэлектрических систем являются стационарными, более низкая плотность энергии и мощности и, следовательно, более высокий вес свинцово-кислотных аккумуляторов не так критичны, как, например, в электротранспорте ^{[9] : 4,9} Другие аккумуляторные батареи, рассматриваемые для распределенные фотоэлектрические системы включают натрий-серу иванадиевые окислительно-восстановительные батареи, два известных типа расплавленных солей и проточные батареи, соответственно. ^{[9] : 4} В 2015 году Tesla Motors представила Powerwall , литий-ионную аккумуляторную батарею, с целью революционизировать потребление энергии. ^[84]

Для фотоэлектрических систем со встроенным аккумуляторным решением также требуется контроллер заряда , поскольку изменяющееся напряжение и ток от солнечной батареи требуют постоянной регулировки, чтобы предотвратить повреждение от перезарядки. ^[85] Базовые контроллеры заряда могут просто включать и выключать фотоэлектрические панели или могут измерять импульсы энергии по мере необходимости, так называемая ШИМ или широтно-импульсная модуляция . Более продвинутые контроллеры заряда будут включать логику MPPT в свои алгоритмы зарядки аккумуляторов. Контроллеры заряда также могут отвлекать энергию на другие цели, кроме зарядки аккумулятора. Вместо того, чтобы просто отключать бесплатную фотоэлектрическую энергию, когда она не нужна, пользователь может выбрать нагрев воздуха или воды после полной зарядки аккумулятора.

Мониторинг и учет [ править ]

Счетчик должен иметь возможность накапливать единицы энергии в обоих направлениях, или необходимо использовать два счетчика. Многие счетчики накапливают энергию в двух направлениях, в некоторых системах используется два счетчика, но однонаправленный счетчик (с фиксатором) не будет накапливать энергию от любой результирующей подачи в сеть. ^[86] В некоторых странах, для установки более чем 30 кВт р частота и монитор напряжения с отключением всех фаз требуется. Это делается там, где вырабатывается больше солнечной энергии, чем может вместить коммунальное предприятие, а излишки не могут быть экспортированы или сохранены.. Операторы сетей исторически должны были обеспечивать линии передачи и генерирующие мощности. Теперь им нужно также предоставить хранилище. Обычно это гидроаккумулятор, но используются и другие средства хранения. Первоначально хранилище использовалось для того, чтобы генераторы базовой нагрузки могли работать на полную мощность. В случае изменяемой возобновляемой энергии требуется накопление, позволяющее производить электроэнергию, когда она доступна, и потребление, когда это необходимо.

Две переменные, которые есть у оператора сети, - это хранение электроэнергии, когда она необходима, или ее передача туда, где она необходима. Если оба из них выходят из строя, установки мощностью более 30 кВт могут автоматически отключаться, хотя на практике все инверторы поддерживают регулирование напряжения и прекращают подачу питания, если нагрузка недостаточна. Операторы сетей имеют возможность сократить избыточную генерацию из больших систем, хотя это чаще делается с помощью энергии ветра, чем солнечной энергии, и приводит к значительной потере доходов. ^[87] Трехфазные инверторы имеют уникальную возможность подачи реактивной мощности, которая может быть полезной при согласовании требований к нагрузке. ^[88]

За фотоэлектрическими системами необходимо следить, чтобы обнаруживать поломки и оптимизировать работу. Существует несколько стратегий фотоэлектрического мониторинга в зависимости от мощности установки и ее характера. Мониторинг может осуществляться на месте или удаленно. Он может только измерять производство, получать все данные с инвертора или получать все данные с коммуникационного оборудования (зонды, счетчики и т. Д.). Инструменты мониторинга могут быть предназначены только для наблюдения или предлагать дополнительные функции. Отдельные инверторы и контроллеры заряда аккумуляторов могут включать мониторинг с использованием протоколов и программного обеспечения производителя. ^[89]Измерение энергии инвертора может иметь ограниченную точность и не подходить для коммерческого учета. Сторонняя система сбора данных может контролировать несколько инверторов, используя протоколы производителя инверторов, а также получать информацию о погоде. Независимые интеллектуальные счетчики могут измерять общее производство энергии системой фотоэлектрических массивов. Отдельные меры, такие как анализ спутниковых изображений или измеритель солнечной радиации ( пиранометр ), могут использоваться для оценки общей инсоляции для сравнения. ^[90] Данные, собранные с помощью системы мониторинга, могут отображаться удаленно через Интернет, например OSOTF . ^{[91] [92] [93] [94]}

Другие системы [ править ]

В этот раздел включены системы, которые либо являются узкоспециализированными и необычными, либо все еще являются новой технологией, имеющей ограниченное значение. Однако автономныйили автономные системы занимают особое место. Они были наиболее распространенным типом систем в 1980-х и 1990-х годах, когда фотоэлектрические технологии были еще очень дорогими и представляли собой чистую нишу на рынке небольших приложений. Только там, где не было электросети, они были экономически жизнеспособными. Хотя новые автономные системы все еще внедряются по всему миру, их вклад в общую установленную фотоэлектрическую мощность уменьшается. В Европе на автономные системы приходится 1 процент установленной мощности. В США их около 10 процентов. Автономные системы по-прежнему распространены в Австралии и Южной Корее, а также во многих развивающихся странах. ^{[8] : 14}

Цена за просмотр [ править ]

Фотовольтаические системы с концентратором (CPV) и фотоэлектрические системы с высоким концентратором (HCPV) используют оптические линзы или изогнутые зеркала для концентрации солнечного света на небольших, но высокоэффективных солнечных элементах. Помимо концентрирующей оптики, системы CPV иногда используют солнечные трекеры и системы охлаждения и являются более дорогими.

В частности, системы HCPV лучше всего подходят для мест с высокой солнечной радиацией, концентрируя солнечный свет до 400 и более раз, с эффективностью 24–28 процентов, превышающей эффективность обычных систем. Коммерчески доступны различные конструкции систем, но они не очень распространены. Однако исследования и разработки продолжаются. ^{[1] : 26}

CPV часто путают с CSP ( концентрированной солнечной энергией ), в которой не используется фотоэлектрическая энергия . Обе технологии предпочитают места, которые получают много солнечного света и напрямую конкурируют друг с другом.

Гибрид [ править ]

Гибридная система сочетает фотоэлектрическую энергию с другими формами генерации, обычно с дизельным генератором. Также используется биогаз. Другой формой генерации может быть тип, способный модулировать выходную мощность в зависимости от спроса. Однако можно использовать более одного возобновляемого вида энергии, например ветер. Фотогальваническое производство энергии служит для сокращения потребления невозобновляемого топлива. Гибридные системы чаще всего встречаются на островах. Яркими примерами являются остров Пеллворм в Германии и остров Кифнос в Греции (оба сочетаются с ветром). ^{[95] [96]} Завод Китнос сократил потребление дизельного топлива на 11,2%. ^[97]

В 2015 году тематическое исследование, проведенное в семи странах, показало, что во всех случаях затраты на производство могут быть сокращены путем гибридизации мини-сетей и изолированных сетей. Однако затраты на финансирование таких гибридов имеют решающее значение и во многом зависят от структуры собственности электростанции. Хотя снижение затрат для государственных коммунальных предприятий может быть значительным, исследование также показало, что экономические выгоды будут незначительными или даже отрицательными для негосударственных коммунальных предприятий, таких как независимые производители электроэнергии . ^{[98] [99]}

Также была проведена работа, показывающая, что предел проникновения PV может быть увеличен путем развертывания распределенной сети гибридных систем PV + CHP в США ^[100] . Было проанализировано временное распределение солнечного потока, требований к электричеству и отоплению для типичных жилых домов на одну семью в США. и результаты ясно показывают, что гибридизация ТЭЦ с фотоэлектрической может позволить дополнительное развертывание фотоэлектрической энергии сверх того, что возможно с традиционной централизованной системой производства электроэнергии. Эта теория была подтверждена численным моделированием с использованием посекундных данных солнечного потока, чтобы определить, что необходимая резервная батарея для обеспечения такой гибридной системы возможна с относительно небольшими и недорогими системами батарей. ^[101]Кроме того, для институциональных зданий возможны большие системы PV + CHP, которые снова обеспечивают резервное копирование для прерывистых PV и сокращают время работы когенерации. ^[102]

• Система PVT (гибридная PV / T), также известная как фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы, преобразует солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию. Такая системадополняет друг другасолнечным (PV) модулем и солнечным тепловым коллектором .
• Система CPVT . Концентрированная фотоэлектрическая тепловой гибридный (CPVT) система аналогична системе PVT. Он использует концентрированную фотоэлектрическую энергию (CPV) вместо традиционной фотоэлектрической технологии и сочетает ее с солнечным тепловым коллектором.
• Система CPV / CSP . Была предложена новая солнечная гибридная система CPV / CSP, сочетающая в себе фотоэлектрические концентраторы с не-фотоэлектрической технологией концентрированной солнечной энергии (CSP), также известной как концентрированная солнечная энергия. ^[103]
• Фотоэлектрическая дизельная система . Он сочетает в себе фотоэлектрическую систему с дизельным генератором . ^[104] Возможныкомбинации с другими возобновляемыми источниками энергии , включая ветровые турбины . ^[105]

Плавающие солнечные батареи [ править ]

Плавающие солнечные батареи - это фотоэлектрические системы, которые плавают на поверхности резервуаров с питьевой водой, карьерных озер, оросительных каналов или восстановительных и хвостохранилищ. Эти системы называются «флотовольтаикой», когда они используются только для производства электроэнергии, или «аквавольтаикой», когда такие системы используются для синергетического улучшения аквакультуры . ^[106] Небольшое количество таких систем существует во Франции, Индии, Японии, Южной Корее, Великобритании, Сингапуре и США. ^{[107] [108] [109] [110] [111]}

Считается, что эти системы имеют преимущества перед фотоэлектрическими системами на суше. Стоимость земли дороже, а для сооружений, построенных на водоемах, не используемых для отдыха, меньше норм и правил. В отличие от большинства наземных солнечных электростанций, плавающие массивы могут быть ненавязчивыми, поскольку они скрыты от посторонних глаз. Они достигают более высокой эффективности, чем солнечные фотоэлектрические панели на суше, потому что вода охлаждает панели. Панели имеют специальное покрытие для предотвращения ржавчины и коррозии. ^[112]

В мае 2008 года на винодельне Far Niente в Оквилле, штат Калифорния, была создана первая в мире поплавковая электрическая система, установив 994 солнечных фотоэлектрических модуля общей мощностью 477 кВт на 130 понтонах и разместив их на ирригационном пруду винодельни. ^[113] Основным преимуществом такой системы является то, что она позволяет избежать необходимости жертвовать ценной земельной площадью, которую можно было бы использовать для других целей. В случае с винодельней Far Niente это сэкономило 0,75 акра (0,30 га), которые потребовались бы для наземной системы. ^[114]Еще одним преимуществом поплавковой вольтаической системы является то, что панели хранятся при более низкой температуре, чем на суше, что приводит к более высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Плавающая фотоэлектрическая матрица также снижает количество воды, теряемой из-за испарения, и препятствует росту водорослей. ^[115]

Начинают строиться плавучие фотоэлектрические фермы масштаба коммунальных предприятий. Многонациональный производитель электроники и керамики Kyocera построит крупнейшую в мире ферму мощностью 13,4 МВт на водохранилище над плотиной Ямакура в префектуре Тиба ^[116] с использованием 50 000 солнечных батарей. ^{[117] [118]} Устойчивые к соленой воде плавучие фермы также рассматриваются для использования в океане, с экспериментами в Таиланде. ^[119] Самый крупный проект, о котором было объявлено на данный момент, - строительство электростанции мощностью 350 МВт в районе Амазонки в Бразилии. ^[120]

Сетка постоянного тока [ править ]

Сети постоянного тока встречаются в электротранспорте: железнодорожных трамваях и троллейбусах. Было построено несколько экспериментальных заводов для таких приложений, например, трамвайные депо в Ганновере, Лейнхаузен, с использованием фотоэлектрических источников ^[121] и Женеве (Bachet de Pesay). ^[122] 150 кВт _р Женева сайт каналы 600 В постоянном токе непосредственно в трамвае / троллейбусе электрической сеть , тогда как прежде , чем это предусмотрено около 15% электроэнергии при его открытии в 1999 году.

Автономный[ редактировать ]

Автономная или вне сетки система не подключена к электрической сети . Автономные системы широко различаются по размеру и применению - от наручных часов или калькуляторов до удаленных зданий или космических кораблей . Если нагрузка должна питаться независимо от солнечной инсоляции , генерируемая мощность сохраняется и буферизуется с помощью аккумулятора. ^[123] В непереносных устройствах, где вес не является проблемой, например, в зданиях, свинцово-кислотные батареи чаще всего используются из-за их низкой стоимости и устойчивости к неправильному обращению.

В систему может быть встроен контроллер заряда, чтобы избежать повреждения аккумулятора из-за чрезмерной зарядки или разрядки. Это также может помочь оптимизировать производство от солнечной батареи с использованием метода отслеживания точки максимальной мощности ( MPPT ). Однако в простых фотоэлектрических системах, где напряжение фотоэлектрического модуля согласовано с напряжением батареи, использование электроники MPPT обычно считается ненужным, поскольку напряжение батареи достаточно стабильно, чтобы обеспечить почти максимальный сбор энергии от фотоэлектрического модуля. В небольших устройствах (например, калькуляторах, паркоматах ) потребляется только постоянный ток (DC). В более крупных системах (например, зданиях, удаленных водяных насосах) обычно требуется кондиционер. Чтобы преобразовать постоянный ток от модулей или батарей в переменный, используется инвертор .

В сельскохозяйственных условиях массив может использоваться для непосредственного питания насосов постоянного тока без инвертора . В удаленных местах, таких как горные районы, острова или другие места, где электросеть недоступна, солнечные батареи могут использоваться в качестве единственного источника электроэнергии, обычно путем зарядки аккумуляторной батареи . Автономные системы тесно связаны с микрогенерацией и распределенной генерацией .

• Фотоэлектрические системы Pico

Самые маленькие, часто портативные фотоэлектрические системы называются пикосолнечными фотоэлектрическими системами или пикосолнечными системами. В основном они сочетают в себе перезаряжаемую батарею и контроллер заряда с очень маленькой фотоэлектрической панелью. Номинальная мощность панели составляет всего несколько ватт-пик (1–10 Вт _p ), а ее площадь составляет менее 0,1 квадратных метров (1 квадратный фут). На солнечной энергии может использоваться большое количество различных приложений, таких как музыкальные плееры, вентиляторы, переносные лампы, охранные фонари, комплекты солнечного освещения, солнечные фонари и уличные фонари (см. Ниже) , зарядные устройства для телефонов, радиоприемники или даже небольшой семидюймовый ЖК-дисплей. телевизоры, потребляющие менее десяти ватт. Как и в случае выработки электроэнергии с помощью пикогидро., фотоэлектрические системы pico полезны в небольших сельских населенных пунктах, которым требуется лишь небольшое количество электроэнергии. Поскольку эффективность многих устройств значительно повысилась, в частности, благодаря использованию светодиодных ламп и эффективных перезаряжаемых батарей, солнечная энергия стала доступной альтернативой, особенно в развивающихся странах. ^[124] Метрическая приставка пико- обозначает триллионную долю, чтобы указать на малость электрической мощности системы.

• Солнечные уличные фонари

Солнечные уличные фонари приподнятые источники света, которые питаются от фотоэлектрических панелей, обычно установленных на осветительной конструкции. Солнечная батарея такой автономной фотоэлектрической системы заряжает аккумуляторную батарею , которая питает люминесцентные или светодиодные лампы в ночное время. Солнечные уличные фонари являются автономными энергосистемами и имеют преимущество в экономии затрат на рытье траншей, озеленение и техническое обслуживание, а также на счетах за электричество, несмотря на их более высокую первоначальную стоимость по сравнению с обычным уличным освещением. Они разработаны с достаточно большими батареями, чтобы обеспечить работу в течение как минимум недели, и даже в худшей ситуации ожидается, что они будут слегка тускнеть.

• Телекоммуникации и сигнализация

Солнечная фотоэлектрическая энергия идеально подходит для телекоммуникационных приложений, таких как местная телефонная станция, радио- и телевещание, микроволновая печь и другие формы электронных коммуникационных каналов. В большинстве телекоммуникационных приложений аккумуляторные батареи уже используются, а электрическая система в основном работает на постоянном токе. В холмистой и гористой местности радио- и телесигналы могут не доходить, поскольку они блокируются или отражаются обратно из-за холмистой местности. В этих местах установлены маломощные передатчики для приема и ретрансляции сигнала местному населению. ^[125]

• Солнечные автомобили

Солнечные транспортные средства , будь то наземные, водные, воздушные или космические транспортные средства, могут получать часть или всю энергию, необходимую для их работы, от солнца. Наземным транспортным средствам обычно требуются более высокие уровни мощности, чем они могут быть поддержаны солнечной батареей практически размера, поэтому батарея помогает удовлетворить пиковую потребность в мощности, а солнечная батарея заряжает ее. Космические аппараты успешно используют солнечные фотоэлектрические системы в течение многих лет эксплуатации, избавляя от веса топлива или первичных батарей.

• Солнечные насосы

Одно из наиболее экономически эффективных применений солнечной энергии - это насос, работающий от солнечной энергии, поскольку гораздо дешевле купить солнечную панель, чем управлять линиями электропередач. ^{[126] [127] [128]} Они часто удовлетворяют потребность в воде вне досягаемости линий электропередач, заменяя ветряную мельницу или ветряной насос . Одно из распространенных применений - наполнение поилок для скота, чтобы пасущийся скот мог пить. Другой - это пополнение резервуаров для хранения питьевой воды в удаленных или самодостаточных домах.

• Космический корабль

Солнечные панели на космических кораблях были одними из первых применений фотоэлектрической энергии с момента запуска Vanguard 1 в 1958 году, первого спутника, в котором использовались солнечные элементы. В отличие от Спутника , первого искусственного спутника на орбите планеты, у которого закончились батареи в течение 21 дня из-за отсутствия солнечной энергии, большинство современных спутников связи и космических зондов во внутренней солнечной системе полагаются на использование солнечных панелей для получать электричество от солнечного света. ^{[129] [130]}

• Сообщество Сделай сам

С agrowing интерес к экологически чистой зеленой энергии, аквариумисты в DIY -community стремились строить свои собственные системы солнечных фотоэлектрических из наборов ^[131] или частично DIY . ^[132] Обычно DIY-сообщество использует недорогие ^[133] или высокоэффективные системы ^[134] (например, с отслеживанием солнечной активности ) для выработки собственной энергии. В результате DIY-системы часто оказываются дешевле своих коммерческих аналогов. ^[135] Часто система также подключается к обычной электросети с использованием нетто-счетчиков.вместо батареи для резервного копирования. Эти системы обычно вырабатывают мощность ~ 2 кВт или меньше. Теперь через Интернет сообщество может получить планы (частичного) построения системы, и наблюдается растущая тенденция к их созданию для внутренних нужд.

Галерея автономных систем

• Изображение профиля мобильного генератора на солнечной энергии

• Солнечные батареи на небольшой яхте для зарядки 12-вольтовых аккумуляторов до 9 ампер

• Мобильная зарядная станция для электромобилей во Франции

• Художественная концепция космического корабля Juno, вращающегося вокруг Юпитера - самого дальнего космического корабля, работающего от солнечных батарей

• Латеральная система , Отаго Харбор , NZ

• Электрический забор, работающий на солнечной энергии, в Харвуде Нортумберленд, Великобритания.

• Солнечная матросская лодка, Дарлинг-Харбор, Сидней, Австралия.

• Питание юрты в Монголии

• Солнечный калькулятор

• Солнечный навигационный свет

• Освещение солнечных дорожек зимой ( Стимбот-Спрингс , США).

• Маяк на солнечных батареях в Шотландии

• Небольшая солнечная водяная помпа

• Солнечная машина . Японский победитель в 2009 World Solar Challenge в Австралии.

• Солнечное зарядное устройство сотового телефона

• На солнечных батареях вентилятор

• Часы на солнечной энергии

• Уплотнитель мусора на солнечной энергии, Джерси-Сити , США.

• Солнечная установка для очистки сточных вод в Сантуари-де-Льюк , Испания

• Solar Impulse , электрический самолет

• Пункт проката общих велосипедов, Будапешт , Венгрия

Затраты и экономия [ править ]

Стоимость производства фотоэлементов снизилась из-за экономии на масштабе производства и технологических достижений в производстве. Для крупномасштабных установок цены ниже 1,00 доллара за ватт были обычным явлением к 2012 году. ^[138] Снижение цен на 50% было достигнуто в Европе с 2006 по 2011 год, и есть потенциал для снижения стоимости генерации на 50% к 2020 году. ^[139] Солнечные элементы из кристаллического кремния в значительной степени были заменены менее дорогими солнечными элементами из поликристаллического кремния, а также были разработаны тонкопленочные кремниевые солнечные элементы с более низкими производственными затратами. Хотя их эффективность преобразования энергии снижается из-за монокристаллических «сиваферов», их также намного проще производить при сравнительно более низких затратах. ^[140]

В таблице ниже показана общая (средняя) стоимость в центах США за кВтч электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрической системой. ^{[141] [142]} Заголовки строк слева показывают общую стоимость фотоэлектрической установки на пиковый киловатт (кВт _p ). Затраты на фотоэлектрические системы снижаются, и в Германии, например, сообщалось, что к концу 2014 года они упали до 1389 долларов США / кВт _p . ^[143] Заголовки столбцов в верхней части относятся к годовому объему выработки энергии в кВтч, ожидаемому от каждого из них. установленная кВт _р . Это зависит от географического региона, потому что средняя инсоляциязависит от средней облачности и толщины атмосферы, которую пересекает солнечный свет. Это также зависит от пути солнца относительно панели и горизонта. Панели обычно устанавливаются под углом, зависящим от широты, и часто их корректируют в зависимости от сезона, чтобы соответствовать изменяющемуся склонению Солнца . Солнечное слежение также может использоваться для доступа к еще более перпендикулярному солнечному свету, тем самым увеличивая общий выход энергии.

Рассчитанные значения в таблице отражают общую (среднюю) стоимость в центах за произведенный кВтч. Они предполагают 10% общих капитальных затрат (например, 4% процентной ставки , 1% эксплуатационных расходов и затрат на обслуживание ^[144] и амортизация капитальных затрат в течение 20 лет). Обычно гарантия на фотоэлектрические модули составляет 25 лет. ^{[145] [146]}

Стоимость системы 2013 [ править ]

В своем отчете «Дорожная карта технологий: солнечная фотоэлектрическая энергия» за 2014 год Международное энергетическое агентство (МЭА) опубликовало в 2013 году цены в долларах США за ватт на фотоэлектрические системы для жилых, коммерческих и коммунальных предприятий для восьми основных рынков ^[7].

Кривая обучения [ править ]

Фотоэлектрические системы демонстрируют кривую обучения с точки зрения приведенной стоимости электроэнергии (LCOE), снижая ее стоимость за кВтч на 32,6% при каждом удвоении мощности. ^{[148] [149] [150]} Из данных LCOE и совокупной установленной мощности Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) с 2010 по 2017 год ^{[149] [150]} уравнение кривой обучения для фотоэлектрических систем имеет вид ^[148]

${\ displaystyle LCOE_ {photovoltaic} = 151,46 \, емкость ^ {- 0,57}}$

• LCOE: приведенная стоимость электроэнергии (в долл. США / кВтч)
• Мощность: совокупная установленная мощность фотоэлектрических систем (в МВт)

Регламент [ править ]

Стандартизация [ править ]

Расширение использования фотоэлектрических систем и интеграция фотоэлектрической энергии в существующие структуры и методы снабжения и распределения увеличивает потребность в общих стандартах и ​​определениях для фотоэлектрических компонентов и систем. ^{[ необходима цитата ]} Стандарты составлены Международной электротехнической комиссией (МЭК) и применяются к эффективности, долговечности и безопасности ячеек, модулей, программ моделирования, разъемов и кабелей, систем крепления, общей эффективности инверторов и т. д. ^[151]

Национальные правила [ править ]

Великобритания

В Великобритании фотоэлектрические установки обычно считаются разрешенной застройкой и не требуют разрешения на строительство. Если собственность указана в списке или находится в обозначенной зоне (Национальный парк, Зона выдающейся природной красоты, Участок особого научного интереса или Норфолкские броды), то требуется разрешение на строительство. ^[152]

Соединенные Штаты

В Соединенных Штатах статья 690 Национального электротехнического кодекса содержит общие рекомендации по установке фотоэлектрических систем; они могут быть отменены местными законами и постановлениями. Часто требуется разрешение, что требует представления плана и расчетов конструкции до начала работ. Кроме того, во многих регионах требуется, чтобы работа выполнялась под руководством лицензированного электрика.

В Соединенных Штатах , то уполномоченные органы (AHJ) рассмотрят проекты и выдачу разрешения, до начала строительства может законно начать. Электрические методы установки должны соответствовать стандартам , установленным в National Electrical Code (NEC) и быть проверены AHJ для обеспечения соответствия строительным нормам и правилам , электрический код и пожарной безопасности кода. Юрисдикции могут потребовать, чтобы оборудование было протестировано, сертифицировано, внесено в перечень и маркировано по крайней мере одной из Национально признанных испытательных лабораторий (NRTL). . ^[153]В США во многих населенных пунктах требуется разрешение на установку фотоэлектрической системы. Связанная с сетью система обычно требует наличия лицензированного электрика для подключения между системой и подключенной к сети электропроводкой здания. ^[154] Установщики, отвечающие этим требованиям, есть почти в каждом штате. ^[153] Некоторые штаты запрещают ассоциациям домовладельцев ограничивать использование солнечных батарей. ^{[155] [156] [157]}

Испания

Хотя Испания вырабатывает около 40% своей электроэнергии за счет фотоэлектрических и других возобновляемых источников энергии, а такие города, как Уэльва и Севилья, могут похвастаться почти 3000 часов солнечного света в год, в 2013 году Испания ввела налог на солнечную энергию для учета задолженности, возникшей в результате сделанных инвестиций. правительством Испании. Те, кто не подключается к сети, могут быть подвергнуты штрафу в размере 30 миллионов евро (40 миллионов долларов США). ^{[158] [159]} Такие меры были окончательно отменены к 2018 году, когда было введено новое законодательство, запрещающее любые налоги на собственное потребление возобновляемой энергии. ^[160]

Ограничения [ править ]

Загрязнение и энергия в фотоэлектрическом производстве [ править ]

Фотоэлектрические системы были хорошо известным методом производства чистой электроэнергии без выбросов. Фотоэлектрические системы часто состоят из фотоэлектрических модулей и инвертора (меняющего постоянный ток на переменный). Фотоэлектрические модули в основном изготавливаются из фотоэлементов, которые принципиально не отличаются от материала для изготовления компьютерных микросхем. Процесс производства фотоэлементов (компьютерных микросхем) требует больших затрат энергии и включает очень ядовитые и токсичные для окружающей среды химические вещества. В мире есть несколько заводов по производству фотоэлектрических модулей, производящих фотоэлектрические модули с энергией, производимой из фотоэлектрических элементов. Эта мера значительно снижает углеродный след в процессе производства. Управление химическими веществами, используемыми в производственном процессе, регулируется местными законами и постановлениями завода.

Воздействие на электросеть [ править ]

С увеличением количества фотоэлектрических систем на крыше поток энергии становится двусторонним. Когда местной генерации больше, чем потребления, электроэнергия экспортируется в сеть. Однако электрические сети традиционно не рассчитаны на двустороннюю передачу энергии. Поэтому могут возникнуть некоторые технические проблемы. Например, в Квинсленде, Австралия, к концу 2017 года более 30% домохозяйств имели фотоэлектрическую систему на крышах. Знаменитая калифорнийская кривая утки 2020 года очень часто появляется во многих сообществах, начиная с 2015 года. Проблема перенапряжения может возникнуть, когда электричество вернется в сеть. ^[161] Существуют решения для управления проблемой перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности фотоэлектрического инвертора, новое оборудование для контроля напряжения и энергии на уровне распределителя электроэнергии, перенаправление электрических проводов, управление со стороны спроса и т. Д. Часто существуют ограничения и затраты, связанные с эти решения.

Влияние на управление счетами за электроэнергию и инвестиции в энергию [ править ]

У клиентов разные конкретные ситуации, например, разные потребности в комфорте / удобстве, разные тарифы на электроэнергию или разные модели использования. Тариф на электроэнергию может включать несколько элементов, таких как ежедневная плата за доступ и учет, плата за электроэнергию (на основе кВтч, МВтч) или плата за пиковое потребление (например, цена за максимальное 30-минутное потребление энергии в месяц). Фотоэлектрические системы являются многообещающим вариантом снижения платы за электроэнергию, когда цена на электроэнергию достаточно высока и постоянно растет, например, в Австралии и Германии. Однако для участков с платой за пиковое потребление фотоэлектрическая энергия может быть менее привлекательной, если пиковые потребности в основном происходят в конце полудня или ранним вечером, например, в жилых районах. Общий,Инвестиции в энергетику - это в значительной степени экономическое решение, и инвестиционные решения основаны на систематической оценке вариантов улучшения работы, энергоэффективности, производства и хранения энергии на месте.^{[162] [163]}

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Фотоэлектрические Energy Factsheet самого Мичиганского университета «s Центр устойчивых систем
• Журнал Home Power http://www.homepower.com/
• Управление солнечными проектами
• Инженерия фотоэлектрических систем
• Передовой опыт размещения солнечных фотоэлектрических установок на свалках твердых бытовых отходов: исследование, подготовленное в партнерстве с Агентством по охране окружающей среды для инициативы RE-Powering America's Land: размещение возобновляемых источников энергии на потенциально загрязненных землях и участках шахт Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии