Солнечная фотоэнергетика

Преобразование солнечной энергии в доступные для использования виды осуществляется двумя способами: фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую) и фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем при необходимости, например, с помощью пара, в электрическую).

Фотоэлектрические преобразователи обладают значительными преимуществами:

· не имеют движущихся частей, что упрощает обслуживание, снижает его стоимость и увеличивает срок службы (вероятно, он будет достигать 100 лет — проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах) при незначительном снижении эксплуатационных характеристик;

· эффективно используют прямое и рассеянное (диффузное) солнечное излучение;

· не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала;

· пригодны для создания установок практически любой мощности.

Сегодня сфера использования фотоэлектрических преобразователей (или солнечных батарей, солнечных модулей, PV-модулей) быстро расширяется. Установочная мощность систем - в диапазоне от нескольких Вт (и даже менее) до нескольких МВт.

Рисунок 2.49 - Прогноз развития мирового энергоснабжения

Сравним основные возобновляемые источники энергии по ряду показателей.

В таблице 2.5 приведены удельные мощности разных типов электростанций (с учетом площадей, занимаемых сооружениями и зданиями). При расчетах принималось, что все земли имеют одинаковую стоимость. Для тепловых и атомных станций учитывались территории, занятые под добычу угля и руды. Площади производств строительных и конструкционных материалов не учитывались - они приблизительно одинаковы для всех типов станций. Ожидается уменьшение удельной мощности атомных станций за счет увеличения территорий, занятых под захоронение отходов. Для солнечных станций (особенно фотоэлектрических) данный показатель должен увеличиваться за счет увеличения КПД преобразователей и большего использования возможности размещения их на крышах зданий.

Таблица 2.5 - Удельные мощности разных типов электростанций

Тип электростанции	Удельная мощность, МВт/км^2
Солнечные станции	50...100
Ветровые станции	до 15
Гидростанции	до 10
Энергия биомассы	до 5
Тепловые станции	до 30
Атомные станции	60...120

Энергоотдача. Данный показатель определяется как отношение количества энергии, выработанной системой за срок службы, к количеству энергии, затраченной на производство материалов и оборудования (для этой системы). Энергоотдача — основной (с точки зрения будущего полного перехода на возобновляемые источники энергии) показатель, т.к. характеризует реальный прирост энергии к общему балансу (табл. 2.6).

Таблица 2.6 - Энергоотдача разных типов электростанций

Тип электростанции	Энергоотдача
Солнечные станции: фотоэлектрические фототермические	20...100 10…50
Ветровые станции	Более 20
Энергия биомассы	более 20
Тепловые станции	более 15
Атомные станции	6...13

Из таблицы видно, что лучшую энергоотдачу имеют солнечные станции (в перспективе ожидается, что значение еще улучшится). При использовании фотоэлектричества мы получаем возобновляемую энергию и расходуем минимальное количество невозобновляемых материалов (все материалы, кроме, например, древесины). Более того, запасы основного материала — кремния (для изготовления стекла и солнечных элементов) достаточно велики.

В последнее время из-за стремительного развития космической техники возрос интерес к установкам, непосредственно превращающим солнечную ра диацию в электрическую энергию с помощью полупроводниковых фотоэлектропреобразователей.

Рисунок 2.50 - Космический аппарат с солнечными

панелями

Стоимость производимой фотоэлектрическими установками (ФЭУ) электроэнергии сегодня в несколько раз выше, чем на электростанциях с тепловым циклом, но несмотря на это ФЭУ активно используются как в развитых, так и в развивающихся странах.

Сегодня более 30 стран мира используют процесс прямого превращения солнечной энергии в электрическую. Суммарная мощность произведенных за год фотоэлектрических преобразователей равна приблизительно 65 МВт, из них по 1/3 — в США и Японии, 20% — в Европе.

Явление фотоэффекта впервые исследовал французский физик Беккерель в 1839 году, получив поток электронов при освещении солнечным светом пластины оксида меди. Это явление стали широко использовать на практике после открытия полупроводников. В качестве светочувствительной зоны фотоэлемента используются селен (Se), кристаллический кремний (Si), аморфный кремний (SiGe) и др. Фотоэффект образуется, когда фотон (световой луч) падает на элемент из двух материалов с различным типом электрической проводимости (дырчатый или электронный). Попав в такой материал, фотон выбивает электрон из его ячейки, образуя свободный отрицательный заряд и "дырку". В результате равновесие так называемого "р-п"-перехода нарушается, и в цепи возникает электрический ток. Ближайшими "родственниками" солнечных фотоэлементов являются транзисторы, светодиоды и другие электронные устройства.

Чувствительность фотоэлемента зависит от длины волны падающего света и прозрачности верхнего слоя элемента. В ясную погоду кремниевые элементы производят электрический ток приблизительно 0,5 В и 25 мА на 1 см², или 12-13 мВт/см².

Наиболее широко используются кремниевые фотоэлементы (рис. 2.38). Они бывают монокристаллическими и поликристаллическими. Разница между ними обусловлена спецификой получения начальных кремниевых заготовок при их выращивании из расплавов. Монокристаллическая заготовка более однородна, но она и стоит дороже. Поликристаллическая — менее однородна, но ее стоимость ниже, что может быть решающим фактором, когда речь идет о промышленном производстве фотоэлементов. Теоретическая эффективность кремниевых элементов составляет приблизительно 28%, а практическая от 14% до 16%.

Рисунок 2.51 - Схема кремниевого фотоэлемента

Максимальные достигнутые коэффициент фотоэлектрического преобразования для различных типов фотоэлементов. Измерения полученны в лабораторных условиях.

Дата добавления: 2015-08-18