Потери при фотоэлектрическом преобразовании солнечной энергии обусловлены. Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую (т.к. это прямой, одноступенчатый переход энергии) являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300-350 Кельвинов и Т солнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 % . Это означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленной на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально удастся поднять практический КПД до 50% и более (в лабораториях уже достигнут КПД 40%).

Теоретические исследования и практические разработки, в области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность реализации столь высоких значений КПД с ФЭП и определили основные пути достижения этой цели.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p - n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с p-n- переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е.электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней, освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными. Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

• Ш отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• Ш прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• Ш рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• Ш рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП,
• Ш внутренним сопротивлением преобразователя,
• Ш и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

ь использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

ь направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

ь переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

ь оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

ь применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;

ь разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

ь создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.д.5

В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• · высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;
• · доступность исходных материалов в достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность организации их массового производства;
• · приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты на создание системы преобразования;
• · минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос),включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• · удобство техобслуживания.

Так, например, некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплутационных характеристик ФЭП, например, за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.д. Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, т.е. фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза.В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.

Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50-100мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs ,а другой материал, например синтетический сапфир (Al 2 O 3).

ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и, кроме того, существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до 150-180 °С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70 °С является почти критическим - КПД падает вдвое.

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений - может быть даже выше 50-60 %.

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки (отжига) при температуре как раз порядка 150-180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150 °С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций (особенно это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т.п.

Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30 раз с 70-100 долл/ватт в семидесятых годах вплоть до 3,5 долл/ватт в 2000 г. и продолжают снижаться далее. На Западе ожидается переворот в энергетике в момент перехода цены 3-долларового рубежа. По некоторым расчётам, это может произойти уже в 2002 г., а для России с нынешними энерготарифами этот момент наступит при цене 1 ватта СБ 0,3-0,5 доллара, то есть, при на порядок более низкой цене. Тут играют роль вместе взятые: тарифы, климат, географические широты, способности государства к реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния - до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.

В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения.

Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого {на подложке}), не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния.

В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи и где очень важны понятные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солн. батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании концентрированным в 3-5 раз солнечным излучением, что соответственно, снижает потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подложки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al 2 O 3).Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния. Таким образом, в настоящее время трудно до конца отдать явное предпочтение одному из двух рассмотренных полупроводниковых материалов- кремнию или арсениду галлия, и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой вариант окажется более рационален для наземной и космической солнечных энергетик. Постольку-поскольку СБ выдают постоянный ток, то встаёт задача трансформации его в промышленный переменный 50 Гц,220 В. С этой задачей отлично справляется специальный класс приборов- инверторы.

Большинство возобновляемых видов энергии – гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия – характеризуется либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Суммарный потенциал большинства возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует еще один источник энергии – Солнце. Солнце, звезда спектрального класса 2, желтый карлик, очень средняя звезда по всем своим основным параметрам: массе, радиусу, температуре и абсолютной величине. Но эта звезда имеет одну уникальную особенность – это «наша звезда», и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде. Наше светило поставляет Земле мощность около 10 17 Вт – такова сила «солнечного зайчика» диаметром 12,7 тыс. км, который постоянно освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет 1 кВт/м 2 . При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет.

Доводы противников крупномасштабного использования солнечной энергии сводятся в основном к следующим аргументам:

1. Удельная мощность солнечной радиации мала, и крупномасштабное преобразование солнечной энергии потребует очень больших площадей.

2. Преобразование солнечной энергии очень дорого и требует практически нереальных материальных и трудовых затрат.

Действительно, как велика будет площадь Земли, покрытой преобразовательными системами, для производства заметной в мировом энергетическом бюджете доли электроэнергии? Очевидно, что эта площадь зависит от эффективности используемых преобразовательных систем. Для оценки эффективности фотоэлектрических преобразователей, осуществляющих прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, введем понятие коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, определяемого как отношение мощности электроэнергии, вырабатываемой данным элементом, к мощности падающего на поверхность фотоэлемента солнечного зайчика. Так, при КПД солнечных преобразователей, равном 10% (типичные значения КПД для кремниевых фотоэлементов, широко освоенных в серийном промышленном производстве для нужд наземной энергетики), для производства 10 12 Вт электроэнергии потребовалось бы покрыть фотопреобразователями площадь 4 * 10 10 м 2 , равную квадрату со стороной 200 км. При этом интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м 2 , что соответствует типичному среднему значению в течение года для южных широт. То есть «низкая плотность» солнечной радиации не является препятствием для развития крупномасштабной солнечной энергетики.

Приведенные выше соображения являются достаточно веским аргументом: проблему преобразования солнечной энергии необходимо решать сегодня, чтобы использовать эту энергию завтра. Можно хотя бы в шутку рассматривать эту проблему в рамках решения энергетических задач по управляемому термоядерному синтезу, когда эффективный реактор (Солнце) создан самой природой и обеспечивает ресурс надежной и безопасной работы на многие миллионы лет, а наша задача заключается лишь в разработке наземной преобразовательной подстанции. В последнее время в мире проведены широкие исследования в области солнечной энергетики, которые показали, что уже в ближайшее время этот метод получения энергии может стать экономически оправданным и найти широкое применение.

Россия богата природными ресурсами. Мы имеем значительные запасы ископаемого топлива – угля, нефти, газа. Однако использование солнечной энергии имеет и для нашей страны большое значение. Несмотря на то, что значительная часть территории России лежит в высоких широтах, некоторые весьма большие южные районы нашей страны по своему климату очень благоприятны для широкого использования солнечной энергии.

Еще бóльшие перспективы имеет использование солнечной энергии в странах экваториального пояса Земли и близких к этому поясу районах, характеризуемых высоким уровнем поступления солнечной энергии. Так, в ряде районов Центральной Азии продолжительность прямого солнечного облучения достигает 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1500 — 1850 кВт o час/м 2 .

Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:

— прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);

— фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии.

Прямой тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования солнечной энергии и широко используется в южных районах России и в странах экваториального пояса в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.п. Основой солнечных теплоиспользующих установок являются плоские солнечные коллекторы — поглотители солнечного излучения. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы бытового горячего водоснабжения.

Электроэнергия является наиболее удобным для использования и передачи видом энергии. Поэтому понятен интерес исследователей к разработке и созданию солнечных электростанций, использующих промежуточное преобразование солнечной энергии в тепло с последующим его преобразованием в электроэнергию.

В мире сейчас наиболее распространены солнечные тепловые электростанции двух типов: 1) башенного типа с концентрацией солнечной энергии на одном гелиоприемнике, осуществляемой с помощью большого количества плоских зеркал; 2) рассредоточенные системы из параболоидов и параболоцилиндров, в фокусе которых размещены тепловые приемники и преобразователи малой мощности.

2. РАЗВИТИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

В конце 70-х – начала 80-х лет в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС) так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 Мвт. Самая большая СЭС мощностью 10 Мвт (Solar Оnе) была построена в Калифорни. Все эти СЭС построенные по одному принципу: поле размещенном на уровне земли зеркал-гелиостатов, которые следят за солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху довольно высокой башни. Ресивер представляет собой, в сущности говоря, солнечный котел, в котором вырабатывается водный пар средних параметров, который направляется потом в стандартную паровую турбину.

Второй проект — башенная СЭС PHOEBUS реализуется немецким консорциумом. Проект предполагает создание демонстрационной гибридной (солнечно-топливной) СЭС мощностью 30 МВт с объемным ресивером, в котором будет подогреваться атмосферный воздух, который направляется потом в паровой котел, где вырабатывается водный пар, который работает в цикле Ренкина. На тракте воздуха от ресивера к котлу предполагается горелка для сжигания природного газа, количество которого регулируется так, чтобы на протяжении всего светового дня поддерживать заданную мощность. Расчеты показывают, что, например, для годового получения солнечного излучения 6,5 ГДж/м 2 (подобное тому, которое характерно для южных районов Украины) эта СЭС, которая имеет суммарную поверхность гелиостатов 160 тыс. м 2 , будет получать 290,2 ГВт*ч/год солнечной энергии, а количество энергии, внесенной с топливом, составит 176,0 ГВт*ч/год. При этом СЭС выработает в год 87.9 ГВт*ч электроэнергии со среднегодовым КПД 18,8 %. При таких показателях стоимость электроэнергии, выработанной на СЭС, можно ожидать на уровне ТЭС на органическом топливе.

Начиная с середины 80-х годов, в Южной Калифорнии компанией LUZ, были созданы и пущены в коммерческую эксплуатацию девять СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (ПЦК) с единичными мощностями, которые нарощивались от первой СЭС к следующим от 13,8 до 80 Мвт. Суммарная мощность этих СЭС достигла 350 Мвт. В этих СЭС использованные ПЦК с апертурой, которая увеличивалась при переходе от первой СЭС к следующих. Следя за солнцем на единой оси, концентраторы фокусируют солнечную радиацию на трубчатых приемниках, заключенных в вакуумированные трубы. Внутри приемника протекает высокотемпературный жидкий теплоноситель, который нагревается до 380°С и потом отдает тепло водного пара в парогенератор. В схеме этих СЭС предусмотрено также сжигание в парогенераторе некоторого количества природного газа для производства дополнительной пиковой электроэнергии, а также для компенсации уменьшенной инсоляции.

Указанные СЭС были созданы и эксплуатировались в то время, когда в США существовали законы, которые разрешали СЭС безубыточно функционировать. Окончание срока действия этих законов в конце 80-х лет привело к тому, что компания LUZ обанкротилась, а строительство новых СЭС этого типа было прекращено.

Компания KJC (Kramеr Junction Company), которая эксплуатировала пять из девяти построенных СЭС (с 3 по 7), поставила перед собою задачу повысить эффективность этих СЭС, сократить затраты на их эксплуатацию и сделать их экономически привлекательными в новых условиях. В данное время эта программа успешно реализуется.

Одним из лидеров по использованию энергии Солнца стала Швейцария. По данным на 1997 г. здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на основе фотоэлектрических преобразователей мощностью от 1 до 1000 кВт. Программа, получившая название «Solar-91» и осуществляемая под лозунгом «За энергонезависимую Щвейцарию», вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70% энергии. Гелиоустановку мощностью 2-3 кВт чаще всего монтируют на крышах и фасадах зданий. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВтч электроэнергии, что достаточно для бытовых нужд среднего швейцарского дома. Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов солнечные установки мощностью до 300 кВт. Такая станция покрывает потребности предприятия в электроэнергии на 50-60%.

В условиях альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, также строятся гелиоустановки большой мощности. Опыт эксплуатации показывает, что Солнце уже в состоянии обеспечить потребности всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах домов, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях, не требуют для собственного размещения дорогостоящей сельскохозяйственной территории. Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии.

Современная концепция использования солнечной энергии наиболее полно выражена при строительстве корпусов завода оконного стекла в Арисдорфе, где солнечным панелям общей мощностью 50 кВт еще при проектировании была отведена дополнительная роль элементов перекрытия и оформления фасада. КПД солнечных преобразователей при сильном нагреве заметно снижается, поэтому под панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Темно-синие, искрящиеся на солнце фотопреобразователи на южном и западном фасадах административного корпуса, отдавая в сеть электроэнергию, выполняют роль декоративной облицовки.

В развивающихся странах применяют сравнительно мелкие установки для электроснабжения индивидуальных домов, в отдаленных селах для — оснащения культурных центров, где благодаря ФЭУ можно пользоваться телевизорами и др. При этом на первый план выступает не стоимость электроэнергии, а социальный эффект. Программы внедрения ФЭУ в этих странах активно поддерживаются международными организациями, в их финансировании принимает участие Мировой банк на основе выдвинутой им «Солнечной Инициативы». Так, например, в Кении за последние 5 лет с помощью ФЭУ было электрифицировано 20 000 сельских домов. Большая программа по внедрению ФЭУ реализуется в Индии, где в 1986 — 1992 гг. на установку ФЭУ в сельской местности было израсходовано 690 млн. рупий.

В промышленно развитых странах активное внедрение ФЭУ поясняется несколькими факторами. Во-первых, ФЭУ рассматриваются как экологически чистые источники, способные уменьшить вредное влияние на окружающую среду. Во-вторых, применение ФЭУ в частных домах повышает энергетическую автономию и защищает собственника при возможных перебоях в централизованном электроснабжении.

3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Важный вклад в понимание механизма действия фотоэффекта в полупроводниках внес основатель Физико-технического института (ФТИ) Российской Академии наук академик А.Ф. Иоффе. Он мечтал о применении полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике уже в тридцатые годы, когда Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец создали в ФТИ сернисто-таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени КПД = 1%.

Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского «Спутник»-3 и американского «Авангард»-1. С этого времени вот уже более 35 лет полупроводниковые солнечные батареи являются основным и почти единственным источником энергоснабжения космических аппаратов и больших орбитальных станций типа «Салют» и «Мир». Большой задел, наработанный учеными в области солнечных батарей космического назначения, позволил развернуть также работы по наземной фотоэлектрической энергетике.

Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с p- n переходом, возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive (положительный) и negative (отрицательный). Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы – электронную (отрицательную). Контактp или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего чрезвычайно важную роль в работе солнечного фотоэлемента. Поясним причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая кp-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p- n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны (диффузии и движения носителей тока в электрическом поле), устанавливается стационарное, равновесное состояние: на границе возникает заряженный слой, препятствующий проникновению электронов из n-полупро-водника, а дырок из p-полупроводника. Другими словами, в области p-n перехода возникает энергетический (потенциальный) барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию. Не останавливаясь на описании электрических характеристик p-n перехода, который широко используется в выпрямителях, транзисторах и других полупроводниковых приборах, рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах.

При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются в «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода. Генерированные вблизи p- n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупро-воднике) диффундируют кp-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа. В результате полупроводникp-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов – фотоЭДС. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту барьера и способствует инжекции дырок из pобласти в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов – накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера –при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света. При очень большой интенсивности света, когда потенциальный барьер оказывается практически нулевым, величина фотоЭДС выходит на «насыщение» и становится равной высоте барьера на неосвещенном p-n переходе. При засветке же прямым, а также сконцентрированным до 100 — 1000 крат солнечным излучением, величина фотоЭДС составляет 50 — 85% от величины контактной разности потенциала p- n перехода.

Таким образом, рассмотрен процесс возникновения фотоЭДС, возникающей на контактах кp- и n-областям p-n перехода. При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, например питаемого солнечной батареей калькулятора, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.

Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния. В пластине создаются области с p- и n- типами проводимости. В качестве методов создания этих областей используется, например, метод диффузии примесей или метод наращивания одного полупроводника на другой. Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты, причем нижний контакт – сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой структуры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой токосборной шиной).

Основным материалом для получения солнечных элементов является кремний. Технология получения полупроводникового кремния и фотоэлементов на его основе базируется на методах, разработанных в микроэлектронике – наиболее развитой промышленной технологии. Кремний, по-видимому, вообще один из самых изученных материалов в природе, к тому же второй по распространенности после кислорода. Если учесть, что первые солнечные элементы были изготовлены из кремния около сорока лет назад, то естественно, что этот материал играет первую скрипку в программах фотоэлектрической солнечной энергетики. Фотоэлементы из монокристаллического кремния сочетают достоинства использования относительно дешевого полупроводникового материала с высокими параметрами получаемых на его основе приборов.

До недавнего времени солнечные батареи наземного применения, так же как и космического, изготавливали на основе относительно дорогого монокристаллического кремния. Снижение стоимости исходного кремния, разработка высокопроизводительных методов изготовления пластин из слитков и прогрессивных технологий изготовления солнечных элементов позволили в несколько раз снизить стоимость наземных солнечных батарей на их основе. Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости «солнечной» электроэнергии являются: получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликристаллического кремния; разработка дешевых тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов; осуществление преобразования концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк.

Линза Френеля представляет собой выполненную из оргстекла пластину толщиной 1– 3 мм, одна сторона которой является плоской, а на другой образован профиль в виде концентрических колец, повторяющий профиль выпуклой линзы. Линзы Френеля существенно дешевле обычных выпуклых линз и обеспечивают при этом степень концентрирования в 2 – 3 тысячи «солнц».

В последние годы в мире достигнут значительный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентрированном солнечном облучении. Созданы кремниевые элементы с КПД > 25% в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20 — 50 «солнц». Значительно бóльшие степени концентрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк, впервые созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в 1969 году. В таких солнечных элементах достигаются значения КПД > 25% при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой электроэнергии не оказывается определяющим при высоких степенях концентрирования солнечного излучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади. Ситуация, при которой стоимость фотоэлементов не дает существенного вклада в общую стоимость солнечной энергоустановки, делает оправданным усложнение и удорожание фотоэлемента, если это обеспечивает увеличение КПД. Этим объясняется внимание, уделяемое в настоящее время разработкам каскадных солнечных элементов, которые позволяют достичь существенного увеличения КПД. В каскадном солнечном элементе солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фотоэлементов, выполненных на основе различных материалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двухэлементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40%.

Дорогие читатели! Коллектив библиотеки поздравляет вас с Новым годом и Рождеством! От всей души желаем счастья, любви, здоровья, успехов и радости вам и вашим семьям!
Пусть грядущий год подарит вам благополучие, взаимопонимание, гармонию и хорошее настроение.
Удачи, процветания и исполнения самых заветных желаний в новом году!

Тестовый доступ к ЭБС Ibooks.ru

Уважаемые читатели! До 31.12.2019 нашему университету предоставлен тестовый доступ к ЭБС Ibooks.ru , где вы сможете ознакомиться с любой книгой в режиме полнотекстового чтения. Доступ возможен со всех компьютеров сети университета. Для получения удалённого доступа необходима регистрация.

«Генрих Осипович Графтио - к 150 - летию со дня рождения»

Уважаемые читатели! В разделе "Виртуальные выставки" размещена новая виртуальная выставка «Генрих Осипович Графтио». В 2019 году исполняется 150 лет со дня рождения Генриха Осиповича - одного из основателей гидроэнергетической отрасли нашей страны. Ученый-энциклопедист, талантливый инженер и выдающийся организатор, Генрих Осипович внес огромный вклад в развитие отечественной энергетики.

Выставка подготовлена сотрудниками отдела научной литературы библиотеки. На выставке представлены труды Генриха Осиповича из фонда истории ЛЭТИ и публикации о нём.

Ознакомиться с выставкой Вы можете

Тестовый доступ к Электронно-библиотечной системе IPRbooks

Уважаемые читатели! C 08.11.2019 г. по 31.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к крупнейшей российской полнотекстовой базе данных - Электронно-библиотечной системе IPR BOOKS . ЭБС IPR BOOKS содержит более 130 000 изданий, из которых более 50 000 - уникальные учебные и научные издания. На платформе Вам доступны актуальные книги, которые невозможно найти в открытом доступе в сети Интернет.

Доступ возможен со всех компьютеров сети университета.

Для получения удаленного доступа необходимо обратиться в отдел электронных ресурсов (ауд. 1247) к администратору ВЧЗ Склеймовой Полине Юрьевне или по электронной почте [email protected] с темой "Регистрация в IPRbooks".

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии в электрическую основан на явлении фотоэлектрического эффекта – освобождения электронов проводимости в приемнике излучения под действием квантов солнечного излучения.

Этот эффект используется в полупроводниковых материалах, в которых энергия квантов излучения h  создает, например, на p –n -переходе фототок

I ф =eN e ,

где N e – число электронов, создающих на переходе разность потенциалов, вследствие чего на переходе в обратном направлении потечет ток утечки I , равный фототоку, который является постоянным.

Потери энергии при фотоэлектрическом преобразовании обусловлены неполным использованием фотонов, а также рассеянием, сопротивлением и рекомбинацией уже возникших электронов проводимости .

Наиболее распространенным из выпускаемых промышленностью солнечных элементов (фотоэлементов) является пластинчатые кремниевые элементы. Существуют также и другие типы и конструкции, которые разрабатываются для повышения эффективности и снижения стоимости солнечных элементов.

Толщина солнечного элемента зависит от его способности поглощать солнечное излучение. Такие полупроводниковые материалы, как кремний, арсенид галлия и др. используются потому, что они начинают поглощать солнечное излучение с достаточно большой длиной волны, и могут преобразовывать в электричество его значительную долю. Поглощение солнечного излучения различными полупроводниковыми материалами достигает наибольшей величины при толщине пластин от 100 до 1 мкм и менее.

Уменьшение толщины солнечных элемента позволяет значительно снизить расход материалов и стоимость их изготовления.

Различия в поглощательный способности полупроводниковых материалов объясняется различиями в их атомном строении.

Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую не высока. Для кремневых элементов не более 12…14 %.

Чтобы повысить КПД солнечных элементов применяются просветляющие покрытия лицевой стороны солнечного элемента. В результате увеличивается доля проходящего солнечного излучения. У элементов без покрытия потери на отражение достигают 30 %.

В последнее время для изготовления солнечных элементов стали использовать ряд новых материалов. Одним из них является аморфный кремний, который в отличии от кристаллического не имеет регулярной структуры. Для аморфной структуры вероятность поглощения фотона и перехода в зону проводимости больше. Следовательно, он имеет большую поглощательную способность. Также находит применение арсенид галлия (GaAs). Теоретическая эффективность элементов на основе GaAs может достигнуть 25 %, реальные элементы имеют КПД около16 %.

Развивается технология тонкопленочных солнечных элементов. Несмотря на то, что КПД этих элементов в лабораторных условиях не превышает 16 %, они имеют более низкую стоимость. Это особенно ценно для снижения себестоимости и расхода материала в массовом производстве. В США и Японии изготавливают тонкопленочные элементы на аморфном кремнии площадью 0,1 …0,4 м 2 с КПД 8…9 %. Наиболее распространенным тонкопленочным фотоэлементом является элементы на основе сульфида кадмия (CdS) с КПД 10 %.

Другим достижением в технологии тонкопленочных солнечных элементов стало получение многослойных элементов. Они позволяют охватить большую часть спектра солнечного излучения.

Активный материал солнечного элемента стоит довольно дорого. Для более эффективного использования солнечное излучение собирают на поверхности солнечного элемента с помощью концентрирующих систем (рис. 2.7).

При увеличении радиационного потока характеристики элемента не ухудшаются, если его температура поддерживается на уровне температуры окружающего воздуха с помощью активного или пассивного охлаждения.

Существует большое количество концентрирующих систем, основанных на линзах (обычно плоских линзах Френеля), зеркалах, призмах полного внутреннего отражения и т.д. Если происходит сильно неравномерная облученность фотоэлементов или модулей, это может привести к разрушению солнечного элемента.

Использование концентрирующих систем позволяет снизить стоимость солнечных электростанций, так как концентрирующие элементы дешевле солнечных элементов .

По мере снижения цены на солнечные элементы, появилась возможность сооружения крупных фотоэлектрических установок. К 1984 г. было построено 14 относительно крупных солнечных электростанций мощностью от 200 кВт до 7 МВт в США, Италии, Японии, Саудовской Аравии и Германии.

Солнечная фотоэлектрическая установка имеет ряд достоинств. Она использует чистый и неиссякаемый источник энергии, не имеет движущихся частей и поэтому не требует постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала. Солнечные элементы можно производить массовыми сериями, что приведет к снижению их стоимости.

Солнечные батареи собираются из солнечных модулей. При этом существует большой выбор типов и размеров этих устройств с одинаковой эффективностью преобразования энергии и одинаковой технологией производства.

Так как поступление солнечной энергии периодично, фотоэлектрические системы наиболее рационально включать в гибридные электростанции, использующие и солнечную энергию, и природный газ. На этих станциях может найти применение новое поколение газовых турбин. Гибридные маломощные электростанции, состоящие из фотоэлектрических панелей и дизельных генераторов, уже является надежными поставщиками энергии.

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Галерея изображений

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.