ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ – ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

<

081714 2056 1 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ – ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИБольшинство 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 1017 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/м2. 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 1012 Вт электроэнергии потребовалось бы покрыть фотопреобразователями площадь 4 * 1010 м2, равную квадрату со стороной 200 км. При этом интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м2, 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/м2.

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.

<

На данное время ни одна из этих СЭС большее не эксплуатируется, поскольку намеченные для них исследовательские программы выполнены, а эксплуатация их как коммерческих электростанций оказалась невыгодной. В 1992 г. Эдисоновская компания в Южной Калифорнии, основала консорциум из энергетических и промышленных компаний, которые совместно с Министерством энергетики США финансируют проект по созданию башенной СЭС Solar Two путем реконструкции Solar One. Мощность Solar Two по проекту должна составить 10 Мвт, то есть остаться той же, что и раньше. Основная идея намеченной реконструкции состоит в том, чтобы заменить существующий ресивер с прямым получением водного пара на ресивер промежуточным теплоносителем (нитратные соли). В схему СЭС будет включен нитратный бак-аккумулятор вместо применяемого в Solar One гравийного аккумулятора с высокотемпературным маслом в качестве теплоносителя. Пуск реконструированной СЭС намечался на 1996г. Разработчики рассматривают ее как прототип, который позволит на следующем этапе создать СЭС мощностью 100 Мвт. Предполагается, что при таком масштабе СЭС этого типа окажется конкурентоспособной с ТЭС на органическом топливе.

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/м2 (подобное тому, которое характерно для южных районов Украины) эта СЭС, которая имеет суммарную поверхность гелиостатов 160 тыс. м2, 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%.

Солнечные электростанции относятся к классу возобновляемых источников первичного электропитания. Принцип работы солнечных электростанций основан на прямом преобразовании солнечной энергии в электрическую, накоплением ее в буферной аккумуляторной батарее с дальнейшим расходованием этой энергии для питания электрических устройств.

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Андреев В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. –СПб.: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 2002.
  2. Быстрицкий Г.Ф. Общая энергетика. М., 2001.
  3. Пугач Л.И. Энергетика и экология. М., 2003.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     


     

<

Комментирование закрыто.

MAXCACHE: 0.93MB/0.00150 sec

WordPress: 23.07MB | MySQL:115 | 2,927sec