СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 8 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2015 Солнечные батареи и модули как источники питания Энергия Солнца является возобновляемой и практически вечной. В перспективе, она может обеспечить развитие предприятий и частных домов за счёт эффективного использования ресурсов и оптимизации затрат. Андрей Кашкаров (г. Санкт-Петербург) В ВЕДЕНИЕ Специалисты в области нетрадици- онных источников питания сегодня убеждены, что тема «солнечной энер- гетики» столь же интересна и перспек- тивна, как и «закрыта», что подтверж- дает недостаток информации в данной области. Действительно, есть интерес- ные разработки, но о них почему-то умалчивают. С другой стороны, речь идёт об энергоёмких технологиях, свя- занных со многими областями жиз- недеятельности человека. Именно поэтому разработки в области сол- нечной энергетики являются конку- рентоспособными, стратегическими и – отчасти – засекреченными. Вме- сте с тем ничто не мешает обсудить их бытовое предназначение – энергообе- спечение относительно маломощных потребителей «альтернативной» сол- нечной энергией. Поскольку энергия Солнца является возобновляемой, все современные раз- работки в этой области связаны с полу- чением, стабилизацией и аккумулиро- ванием солнечной энергии, а затем и её распределением. Это основные «аль- тернативные» ресурсы для генерации, преобразования и накопления энер- гии. Однако вращение Земли приво- дит к тому, что один и тот же участок поверхности в разное время дня осве- щается по-разному. В силу солнечного света вносят свои коррективы и такие факторы, как время года, ветер (цирку- ляция атмосферы), погодные условия, осадки и другие. С другой стороны, причиной цир- куляции атмосферы является солнеч- ная энергия и неравномерность её рас- пределения на поверхности планеты. В результате этого различные участки поверхности имеют различную тем- «В реальном мире отождествлённая с сущностью форма сияет в качестве света, так же, как в идеальном мире сияет сама мысль». Гегель пературу и, соответственно, различ- ное атмосферное давление над ними (так называемый барический гради- ент). Вращение Земли вокруг своей оси также вызывает трение воздуш- ных масс о поверхность и увеличива- ет их плотность, изменяя соотноше- ние поглощённой и отражённой сол- нечной энергии. Тем не менее всего за пару часов «работы» Солнце передаёт на Землю количество энергии, достаточное все- му человечеству для жизни в течение целого года. И СПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ Энергетическую освещённость сол- нечного излучения (Solar Irradiance) принято измерять в Вт/м 2 . На эквато- ре, например, она может достигать 1020 Вт/м 2 . Но в разное время суток и при различных погодных условиях эти значения значительно отличают- ся друг от друга. Поворот солнечных панелей – фотоприёмников в авто- матическом режиме для слежения за солнцем (Solar Tracking) по двум коор- динатам позволяет «собрать» на 40% больше энергии Солнца [1]. В таких устройствах слежение за движением Солнца осуществляется в течение дня, а слежение за углом высоты Солнца – по сезонам года. (На практике автома- тические системы слежения за Солн- цем используются крайне редко ввиду больших затрат на их установку и экс- плуатацию – прим. ред. ) Солнечные панели могут снижать вырабатываемую мощность по следу- ющим причинам: ● затенение от расположенного ря- дом объекта (горы, высокий лес, здания); ● природные факторы – облачность, туман, сильный дождь, снег, пыль, листопад и даже птичий помёт. Всё это оказывает влияние на свето- вой поток, который воспринимается фотоприёмником. Электромагнитный спектр сол- нечного излучения – это излучение физических тел. Атомы, как основ- ные источники света, не испускают его непрерывно, а генерируют свет в виде отдельных квантов электро- магнитного поля – фотонов, поэтому световое излучение имеет дискрет- ный характер. Даже в простом физи- ческом опыте по разложению белого света с помощью призмы обнаружи- вается «световой» порядок, наглядно демонстрирующий не только энерге- тический, но и знаковый (семиотиче- ский) характер светового спектра. При- мерно такой же спектр имеют солнеч- ные лучи, воздействующие на кремний фотоэлементов, электрически соеди- нённых в солнечные панели, называ- емые солнечной батареей. М ОДУЛИ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Прототипом современных солнеч- ных элементов являются фотоэлек- тронные умножители (ФЭУ). Процесс преобразования световой энергии (фотонов, Photons) в электрическую (напряжение, Voltage) называется PV-эффектом. В 1954 г. было обнару- жено, что кремний вырабатывает элек- трическую энергию, когда его освеща- ют солнечным светом. Вскоре солнеч- ные элементы стали применять для питания аппаратуры космических спутников и небольших электрон- ных устройств, таких как калькулято- ры и наручные часы. К сегодняшнему дню технология производства фото- электрических модулей достаточно хорошо отработана. Наиболее распространёнными явля- ются PV-модули, изготовленные по двум основным технологиям: из моно- кристаллического кремния (Mono-Crys- talline Silicon) и поликристаллического кремния (Polycrystalline Silicon) [1]. На рисунке 1 показаны пластины из моно- кристаллического кремния. Внешний