РОЗДІЛ 12. Сонячні батареї

Сонячна батарея складається з окремих сонячних елементів, які з'єднуються послідовно й паралельно для того, щоб побільшати вихідні значення струму й напруги. При послідовному з'єднанні елементів збільшується вихідна напруга, при паралельному з'єднанні збільшується вихідний струм. Для того, щоб збільшити і струм, і напругу комбінують два ці способи з'єднання. Крім того, при такому способі з'єднання вихід з ладу одного із сонячних елементів не приводить до виходу з ладу всього ланцюжка, тобто підвищує надійність роботи всієї батареї. Таким чином, сонячна батарея складається з послідовно з'єднаних сонячних елементів. Величина максимально можливого струму, що віддається батареєю прямо пропорційна числу паралельно включених елементів, а величина вихідної напруги пропорційна числу послідовно включених елементів. Так комбінуючи типи з'єднання, збирають батарею з необхідними параметрами.

Конструктивно сонячна батарея являє собою плоску панель, що складається з розміщених на ній фотоелементів і електричних з'єднань, захищену з лицьової сторони прозорим твердим покриттям. Число фотоелементів у батареї може бути різним, від декількох десятків до декількох тисяч. Площа панелі в більших промислових сонячних батарей може досягати тисячі квадратних метрів, а максимальна генеруємо потужність - десятків кіловат. Як приклад на рис. 12.1. показаний приклад використання сонячної батареї на основі кристалічного кремнію. На цьому Рис.: 1 - панель сонячної батареї; 2 - комутатор; 3 – акумулятор; 4- споживач. Сонячна батарея, при нормальному сонячному висвітленні, генерує потужність 20- 25 Вт, при напрузі 13 Вольта, що цілком та достатньо для живлення, наприклад, переносного комп'ютера. У могутніших сонячних батареях, наприклад у батареях фірми RZMP, використані фотоелектричні елементи виготовлені на основі мультикристалічного напівпровідникового кремнію, що мають покриття, що просвітлює, нітрид кремнію й срібні контактні смужки - контакт для зняття стуму.

Рис. 12.1. Приклад використання сонячної батареї малої потужності

Сонячні фотоелектричний модуль являє собою цілу плиту з алюмінієвого профілю, у якій між двома шарами герметизуючої плівки укладені фотоперетворювачі послідовно з'єднані між собою мідною шиною. Прозорою ізоляцією служить високоміцне загартоване скло. На внутрішній стороні сонячного модуля встановлена розподільна коробка з діодним блоком усередині (для мінімізації втрат потужності при затемненні) з виведеними в неї контактами.

Зовнішній вигляд сонячної батареї типу RZMP-220 показано на Рис. 12.2. Така сонячна батарея має наступні характеристики: геометричні розміри - 1642×948×34 мм; максимальна потужність - 200 Вт; струм короткого замикання - 7,5 А; напруга холостого ходу – 35,7 В.

Рис. 12.2. Зовнішній вигляд сонячної батареї типу RZMP-220

Сонячні батареї забезпечують більшу автономність і незалежність від ліній електропередач. Сонячна електрика має багато переваг: - це чисте, тихе й надійне джерело енергії, особливо у вилучених районах, де немає централізованого електропостачання. Фотоелектричні системи протягом усього строку експлуатації генерують значно більше енергії, чим було витрачено при їхнім виробництві. У сонячних країнах, подібних Іспанії, сонячні батареї за 2 року повертають енергію, витрачену на їхнє виробництво, а служать приблизно 25 років. Як приклад можна привести дані, про сонячну батарею, виготовлену з фотоелектричних елементів в основі кристалічного кремнію, встановленої на одному з ранчо в штаті Техас. Ця сонячна батарея, установлена на нерухливій підставі, при нормальному освітлення генерує потужність близько 6 кВт.

Однак, у цей час, головне застосування сонячні батареї знайшли в космонавтиці, де вони займають основне місце серед інших джерел автономного енергоживлення. Сонячні батареї постачають електроенергію апаратурі супутників і системи життєзабезпечення

Рис. 12.3. Сонячна батарея потужністю 6кВт.

космічних кораблів і станцій, а також заряджають електрохімічні акумулятори, використовувані на тіньових ділянках орбіти.

На міжнародній космічній станції (МКС) сонячні батареї мають наступний пристрій: дві гнучкі складні панелі сонячних батарей утворюють так зване крило сонячної батареї, усього на фермових конструкціях станції розміщено чотири пари таких крил. Кожне таке крило має довжину 35 м і ширину 11,6 м, а його корисна площа становить 298 м2. Вироблена кожних таким крилом, сумарна потужність досягає 32,8 кВт. Сонячні батареї генерують постійну напругу від 115 до 173 Вольт, яке потім, за допомогою спеціальних перетворювачів, трансформується в стабілізовану, постійну напругу, величиною 124 Вольта. Це стабілізована напруга безпосередні використовується для живлення електроустаткування станції. Станція робить один оберт навколо Землі за 90 хвилин і приблизно половину цього часу вона проводить у тіні Землі, де сонячні батареї не працюють. Тоді ії електропостачання походить від буферних никель-водородних акумуляторних батарей, які підзаряджаються, коли МКС знову виходить на сонячне світло.

Як приклад використання сонячних батарей на космічних апаратах на рис. 12.4. показаний зовнішній вигляд супутнику й панелі сонячних батарей на супутнику "Космос-242". Тут використовувалися фото чутливі елемента виготовлені на основі кристалічного кремнію. Загальна площа сонячних батарей на цьому супутнику становила приблизно 52 м, що дозволиш генерувати потужність близько 5 кВт.

На рис. 12.5. а, б. наведений загальний вид і панелі сонячних батарей установлених на космічних станціях "Союз" і "Мир". На станції "Мир" площа сонячних батарей становила 114 квадратних метрів, і вони давали 10.1 кіловат потужності. З метою найбільш оптимального використанні сонячного випромінювання, для одержання максимальної віддачі потужності, сонячні батареї постійно розверталися, за допомогою електричних моторів, перпендикулярно напрямку падаючого на них світла. Практично у всіх сучасних системах космічних станцій сонячні батареї закріплені рухливо, щоб дозволити їм розвертатися, не розвертаючи всього космічного корабля.

У перспективі, альтернативою кремнієвим сонячним батареям можуть стати полімерні сонячні батареї. Це нова технологія, над розвитком якої працюють десятки науково - дослідницьких інститутів і фірм по усьому світу. Полімерний фотоелемент – це плівка, яка складається з активного шару (полімеру), електродів з алюмінію, гнучкої органічної підкладки й захисного шару.

Рис. 12.4. Сонячна батарея, установлена на супутнику "Космос-242"

Для створення рулонних полімерних сонячних батарей окремі плівкові фотоелементи поєднують між собою. Гідності полімерних сонячних батарей у порівнянні зі звичайними - кристалічними: компактність, легкість, гнучкість. Такі батареї недорогі у виробництві (для їхнього виготовлення не

Рис. 12.5. а. Зовнішній вигляд космічної станції "Союз". 1-сонячні батареї; 2- корпус стащи

Рис. 12.5. б. Зовнішній вигляд космічної станції "Мир".1- сонячні батареї

використовується дорогий кремній) і екологічні, тому що вони виявляють на навколишнє середовище менш значний вплив. Недолік поки один - ефективність перетворення сонячної енергії полімерних сонячних батарей поки дуже низька. Цей недолік і обмежував створення таких батарей на рівні зразків - прототипів. Перші полімерні батареї в промислових масштабах почали випускати в Данії. Ці сонячні батареї має ККД в 6,5% при освітленості в 0,2 вата на квадратний сантиметр. Це найвищий рівень, досягнутий для сонячних батарей з органічних матеріалів. І хоча кращі кремнієві сонячні батареї мають ККД 40%, проте, до полімерних батарей в усьому світі проявляють дуже сильний інтерес. Виробництво полягає в багатошаровій пресі сонячного фотоелемента на гнучку плівку, яку потім можна скручувати, розрізати й робити із плівки сонячні батареї абсолютно будь-яких розмірів. В Україні провідним виробником сонячних батарей є ВАТ "Квазар"