Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

 Магомедов Абук Магомедович

Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения (ФЭП)

Принцип действия и характеристики ФЭП

Фотоэлектрический (или фотовольтаический) метод преобразования солнечной энергии в электрическую является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Впервые на перспективу его использования в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в 30-е годы один из основателей советской физической школы академик А. Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии этот показатель увеличился до 20-25%.

Механизм преобразования солнечного света в электричество отличается от других способов получения электричества. Особенности этого метода определяют возможности и перспективы его использования в широких масштабах.

При любом способе производства электричества необходимо иметь электрические заряды и обеспечить механизм их разделения. В индукционном методе для получения электричества используют свободные заряды металлических проводников, а их разделение осуществляется в результате перемещения проводников в магнитном поле.

В фотовольтаическом методе получения электричества нет механических перемещений деталей конструкции. Он основан на свойствах полупроводниковых материалов и их взаимодействии со светом. В фотовольтаическом элементе свободные носители образуются в результате взаимодействия полупроводника ср светом, а разделяются под действием электрического поля, возникающего внутри элемента. До недавнего времени практически все фотоэлементы изготовлялись из кристаллического кремния, однако сейчас все более широкое применение находят и другие материалы.

Явление фотоэффекта основано на преобразовании световой энергии (энергии электромагнитного излучения) в электрическую. Различают три вида фотоэффекта:

1)         внешний – вырывание электронов из поверхности тел под действием света;

2)         внутренний – изменение электропроводимости  полупроводников и        диэлектриков под действием света;

3)         запирающегося слоя - возбуждение элекродвижущей силы на границе между проводником и светбчувствительным полупроводником.

Для целей преобразования энергии электромагнитного излучения практически может быть применен только фотоэффект запирающегося слоя (фотоэффект на р-n переходе).

 Элекронно-дырочньш переход или р-n переход представляет собой некоторую область между двумя частями вещества с разным типом проводимости. В изолированном от внешних воздействий (света и теплоты) образце в этой переходной зоне возникает взаимная диффузия избыточных носителей тока, приводящая к образованию двойного электрического слоя объемных зарядов - контактного электрического поля, напряженность которого направлена от области n-типа к области р-типа.

Поток основных носителей заряда через р-n переход представляет собой диффузионный ток 1д , поток неосновных носителей - дрейфовый ток L. При равновесии токи 1Д и I* по абсолютной величине равны и результирующий ток через р-n переход равен нулю.

Приложение к р-n переходу положительного потенциала (U>0, прямое смещение) приводит к изменению взаимного расположения уровней Ферми (27,6), уменьшению потенциального барьера, росту диффузионного тока (дрейфрвый ток остается неизменным). Результирующий ток через р-n переход носит название прямого тока. Если U<0 (обратное смещение), то барьер увеличивается (27,в), диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток остается неизменным. Результирующий ток называется обратным током. Уравнение вольт-амперной характеристики (ВАХ) р-n перехода в этом случае имеет вид:

I = Is(2e«u/kT-l),         (2)

где U - внешнее напряжение, приложенное к р-n переходу, с учетом знака; Ь - значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.

Когда монохроматическое излучение с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны, падает на полупроводник вблизи р-п перехода, в нем образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к возникновению дополнительной разности потенциалов ( 27,г), что в свою очередь вызывает эффект прямого смещения и увеличения тока основных носителей.

Если внешняя цепь разомкнута, то устанавливается динамическое равновесие первичного светового тока избыточных неосновных носителей La, созданных квантами света, и тока, обратного ему по направлению, обусловленного накоплением пространственных зарядов. Результирующая разность потенциалов представляет собой фото-ЭДС. При подключении внешней нагрузки происходит ответвление тока во внешнюю цепь. Суммарный ток по-прежнему будет равен световому. Поскольку направление фото-ЭДС и контактной разности потенциалов противоположно, ток 1н во внешней цепи будет равен;

Материалы фотоэлементов

Оптимальными материалами для солнечных ФЭП являются соединения AmBv и в первую очередь арсенид галлия (GaAS). Разработка высокоэффективных ФЭП на основе материалов с широким диапазоном изменения АЕ0 позволит на практике перейти к использованию сочетаний различных типов ФЭП и реализации идей сложных, например гетерогенных и каскадных, фотоэлектрических устройств, позволяющих использовать весь спектр солнечного излучения.

29. Зависимость эффективности ФЭП от ширины запрещенной зоны полупроводника при различных значениях температуры

Предельный КПД солнечного элемента логарифмически растет при увеличении интенсивности освещения, что определяется соответствующим ростом фотоэдс Это определяет интерес к использованию для ФЭП солнечного излучения, концентрированного более чем в 1000 раз. Однако при этом возникает проблема, обусловленная резким возрастанием токов в ФЭП и соответствующим возрастанием потерь мощности на внутреннем сопротивлении.

Внедрение солнечных ФЭП с концентраторами в практику во многом зависит от разработки дешевых и простых систем слежения за Солнцем, а также от разработки недорогих концентраторов, стабильных при длительной эксплуатации в неблагоприятных климатических условиях, что является сложной технической задачей.

В качестве отражающего покрытия солнечных концентратов используется, как правило, алюминий, который имеет наиболее высокий интегральный коэффициент отражения в диапазоне волн солнечного спектра, хотя в некоторых случаях применяется и серебро.

Для защиты отражающего покрытия от внешних воздействий на него наносят пленки SiO, SiO?, S12O3, AI2O3 и др. При выборе защитного покрытия должны учитываться спектральные характеристики преобразователя солнечной энергии, так как, например, пленки из SiO и SJ2O3 значительно снижают отражательную способность зеркал в коротковолновой области спектральной чувствительности солнечных элементов.

Для пленочных космических концентраторов используются металлизированные полимерные пленки различного химического состава. По совокупности свойств наиболее подходящим и в космических конструкциях являются пленки из майлара и каптона.

Возможности эффективного применения на космических аппаратах (КА) концентраторов в значительной степени определяются их способностью длительное время работать в условиях космической среды, сохраняя высокие оптико-энергетические характеристики.

За двадцать лет промышленного использования в основном в качестве бортовых источников для космических аппаратов ФЭП получили достаточно широкое развитие. Для наиболее освоенного типа кремниевых ФЭП достигнутые в эксплуатации значения КПД составляют около 15%. ФЭП на базе GaAS в лабораторных условиях показали КПД до 20%. Однако сегодня ФЭП все еще очень дороги.

В последнее время для изготовления фотоэлементов стало возможным использование ряда новых материалов. Один из наиболее перспективных - аморфный кремний, который в отличие от кристаллического не имеет регулярной структуры. Для аморфной структуры вероятность поглощения фотона и перехода в зону проводимости больше. Таким образом, по поглощательной способности этот материал значительно превосходит кристаллический кремний. Для нужд полупроводниковой энергетики его можно использовать в виде тонких, толщиной около 0,5 мкм, пленок. Поскольку на элементы из аморфного кремния расходуется меньше материала и технология их изготовления проще, они дешевле.

Другим достижением в технологий тонкопленочных солнечных элементов стало получение многослойных элементов, позволяющих охватить большую часть спектра солнечного излучения. Так, например, верхний слой такого материала может собирать свет из синей части спектра, позволяя красному свету проходить к тому слою, который более эффективен именно в этой области спектра.

Герметический блок из элементов, соединенных между собой в промышленных условиях, называется фотоэлектрическим модулем. Несколько модулей образуют батарею. Высокая стоимость солнечных элементов - это именно то, что задерживает развитие крупных фотоэнергетических установок. В 1974 г. стоимость модуля солнечных элементов составляла 50 долл. на 1Вт пиковой мощности. Стоимость электроэнергии, получаемой от такого модуля, была исключительно высока: ,3 долл. за 1кВт/ч. Стоимость электроэнергии, производимой электростанциями, работающими на ископаемом и ядерном топливе составляет от 5 до 10 центов за 1 кВт/ч. Такая разница побудила приложить огромные усилия к снижению стоимости энергии, вырабатываемой солнечными установками. Исследования охватили материалы, из которых изготавливаются солнечные элементы, структуру элементов и процессы массового производства.

Движение на пути к этой цели не замедляется: постоянно рождаются новые идеи и разработки, не за горами и производство крупных блоков. Ожидать снижения стоимости элементов можно тогда, когда начнется массовое производство новых материалов.

Концентраторы солнечной энергии

Одним из препятствий на пути использования солнечного излучения в энергетике является его низкая плотность. Преодолеть это препятствие можно путем концентрирования излучения. Применение концентраторов позволяет не только поднять энергетическую эффективность солнечных фотоэлектрических установок, но и улучшить их экономические показатели за счет уменьшения расхода дефицитных полупроводниковых материалов, снижения стоимости и массы, повышения устойчивости к действию внешних факторов. При использовании концентрированного излучения для освещения модулей солнечных элементов одним из важных требований является равномерность плотности лучистого потока на приемнике. Для создания такого потока используются концентраторы с плоскими отражающими поверхностями - плоские фоклины. Если образующая концентратора является прямой линией, их называют односекцион-ными (9,а), если ломаной - многосекционными (9,6). Концентрация солнечного излучения в них достигается в результате многократного отражения от зеркальных поверхностей. Односекционные плоские системы позволяют увеличить в 2-10 раз концентрацию .солнечного излучения и во столько же раз снизить площадь полупроводниковых элементов для получения той же энергии.

Для этой цели применяются также фокусирующие коллекторные системы, в которых используются отражатели и линзы, фокусирующие лучи на солнечных элементах. Характер работы устройств двух типов различен, так как плоская система эффективна даже в облачную погоду, в то время как фокусирующие системы оправдывают себя только при прямом солнечном свете. Однако степень концентрации у них на много выше. Недостатки фокусирующей системы можно частично компенсировать, если снабдить ее высокоэффективными солнечными элементами, включая элементы на монокристаллическом кремнии и арсениде галлия, КПД которых в настоящее время достигает 20-26%.

Использование концентрирующих систем позволяет снизить стоимость солнечных электростанций, так как они дешевле солнечных элементов, поэтому их применение на солнечных станциях даст возможность сэкономить на фотоэнергетических устройствах.

Перспективы развития солнечных фотоэнергетических установок

По мере того как за последние 10 лет снижались цены на солнечные элементы, появилась возможность постройки крупных фотоэлектрических установок. В США в 70-е годы были выделены средства на строительство 9 электростанций средней мощности от 10 до 100 кВт. К 1984 г, было построено 14 относительно крупных солнечных электростанций мощностью от 200 кВт до 7 МВт в США, Японии, Италии, Саудовской Аравии и ФРГ.

Европейское сообщество и ряд отдельных стран разрабатывают 20 демонстрационных установок мощностью от 15 до 300 кВт. В Японии работает свыше 10 электростанций такого типа, имеющих мощность от 3 до 200 кВт, а в 1985 г. вошла в строй станция мощностью 1МВт, построенная организацией разработки новых источников энергии. Японский проект "Солнечное сияние", который начал осуществляться в 1974 году, объединяет работы по изучению возобновляемых источников энергии, с тем чтобы к 2000 г. в значительной мере удовлетворить за счет них энергетические потребности страны.

Крупнейшая из существующих солнечная электростанция находится в Кариса - Плейнз в Калифорнии. Она была построена менее чем за год и имеет пиковую мощность, равную 7,2 Мвт. Учитывая возможные усовершенствования в производстве новых материалов и создании новых устройств, следует ожидать, что к 2000 г. электроэнергия, вырабатываемая фотоэнергетическими установками, сможет конкурировать по цене с энергией, вырабатываемой обычными электростанциями. Последние будут производить электроэнергию по цене от 3 центов за 1 кВт/ч (гидроэлектростанция) до 35 центов за 1 кВт/ч, (тепловые станции, работающие на угле).

К тому времени фотоэнергетические установки будут вырабатывать электроэнергию по цене 15 центов за 1кВт/ч. Прогнозируемое дальнейшее усовершенствование в этой области должно привести к снижению стоимости энергии до 8 центов за 1кВт ч.

Солнечная фотоэнергетическая установка обладает рядом достоинств, помимо того что использует чистый и неистощимый источник энергии. Она не имеет движущихся частей и поэтому не требует постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала. Солнечные элементы легко производить массовыми партиями, подобно тому как сейчас производятся транзисторы и интегральные схемы. Это должно привести к снижению их стоимости за счет снижения затрат, достигаемого при массовом производстве.

Электростанция, мощность которой измеряется мегаваттами, может быть построена менее чем за год - значительно быстрее, чем обычная электростанция, и тем более - атомная. По этой причине есть возможность гибко учитывать изменения, обусловленные требованиями потребителей.

Быстрое снижение стоимости фотоэлектричества (от 60 долл. за 1кВт/ч. до 1 долл. в 80-е годы и 20-30 центов сегодня^ и образование в этой области рынка повысили потребность в такого рода энергии, причем она возрастает на 25% в год. Сегодняшняя стоимость фотоэлектричества все еще примерно в 5 раз выше стоимости электричества от традиционных источников, но прогресс в этой области обгоняет прогнозы.

КПД преобразования энергии в фотоячейке в лабораторных условиях повысился с 16-18% в середине 70-х годов до 28% в настоящее время для ячейки с кристаллическим кремнем и до 35% для ячейки с полупроводником на основе арсенида галлия (ячейка с двумя слоями, которые поглощают различные части солнечного спектра).

Появился новый класс перспективных фотоматериалов на базе тонких пленок полупроводниковых материалов. Хотя эти ячейки в общем случае менее эффективны (КПД 16%), потенциально они будут иметь очень низкую стоимость, возможно, в 10 раз меньше стоимости в массовом производстве существующих фотоэлектрических модулей. Тонкопленочная технология особенно ценна для снижения себестоимости в массовом производстве и для нее достаточно очень малые количества активного материала. Фотоэлектрические системы требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде и поэтому хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Диапазон их мощностей очень широк -от сравнительно небольших портативных установок в несколько ватт до многомегаваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади. Малые фотоэлектрические системы являются потенциально экономически выгодными даже в относительно облачные дни или на высоких широтах, где использование солнечной энергии представляется неэффективным.

В частности в ФРГ была доказана экономичность использования солнечной энергии для энергоснабжения потребителей в тех местах, где не проложены еще распределительные сети. Например, для обеспечения электропитанием отдельных горных приютов или автоматических радиостанций, малых телепередающих устройств, линейных телефонов на автострадах или для гальванической противокоррозионной защиты магистральных трубопроводов.

Поскольку поступление солнечной энергии периодично, фотоэлекрические системы наиболее рационально включают в гибридные станции, использующие и солнечную энергию, и природный газ. Гибридные маломощные станции, состоящие из фотоэлектрических панелей и дизельных генераторов, уже являются надежными поставщиками энергии