Солнечные батареи

Солнечные батареи.

 

 

 

Первые солнечные батареи, способные  преобразовывать солнечную энергию  в механическую, были построены во Франции. В конце XIX века на Всемирной  выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор - аппарат, который  при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.

Паровой котел на солнечной энергии, приводящий в движение печатный станок.

 

 

Подходили годы, инсоляторы использующие солнечную энергию совершенствовались, но принцип оставался прежним: солнце - вода - пар. Но вот, в 1953 году ученые Национального  аэрокосмического агентства США  создали настоящую солнечную батарею - устройство, непосредственно преобразующее энергию солнца в электричество.

 

Еще в 70-х годах 19 века был открыт так называемый фотоэлектрический  эффект - явление, связанное с освобождением  электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения. В 30-х годах глава физиков нашей страны академик А. Ф. Иоффе высказал мысль о использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике. Правда, рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1 процента, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии. После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959 году они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли, и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми панелями с солнечными батареями. Низкий КПД солнечных батарей можно было бы компенсировать большой площадью, например, покрыть всю пустыню Сахару фотоэлементами - и готова мощнейшая солнечная электростанция. Однако кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. И чем выше КПД, тем дороже материалы. Вследствие этого доля солнечной энергии в сегодняшней энергетике невелика. Однако в связи с не бесконечностью ископаемого топлива, доля энергии получаемой солнечными батареями будет неминуемо возрастать. Так же росту использования солнечных батарей способствуют разработки направленные на повышение КПД и понижение их стоимости.

 

Одно из главных достоинств солнечной  энергии - ее экологическая чистота. Правда, соединения кремния могут  наносить небольшой вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями  сжигания природного топлива такой  ущерб - капля в море.

 

Полупроводниковые солнечные батареи  имеют очень важное достоинство - долговечность. При том, что уход за ними не требует от персонала  особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту.

 

Сегодня уже разрабатываются проекты  строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где  солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение  предлагается переводить в другой тип  энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Все это заучит фантастично, однако современная технология позволяет осуществить такой проект в самом близком будущем.

 

Большое количество научных экспериментов  и тонких технологий требуют подчас создания огромной температуры. Идеальный вариант - солнечная энергия, способная создавать гигантские температуры на небольшой площади. Самая известная "солнечная печь" действует во французском местечке Одило. Ее подвижные зеркала концентрируют энергию солнца с большой площади на площадке менее одного квадратного метра. Эта площадка находится на небольшой башне перед системой зеркал. В ясные дни в фокусе зеркал удается достигнуть температуры в 3300°С. С ее помощью в Одило создают материалы с особенными свойствами, которые невозможно получить в традиционной металлургии.

 

Использование энергии солнца

 

 

 

1.  Первая промышленная солнечная  электростанция была построена  в 1985 году в СССР в Крыму,  недалеко от города Щелкино.  СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт.  Столько же, сколько у первого ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала всего 2 миллиона кВт.час электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х ее закрыли. В это время работы активизировались в Штатах, где компания Loose lndustries в самом конце 1989 года запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечно-газового» кВт.часа до 7-8 центов. Что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт.час энергии - во столько обходится электричество, производимое на АЭС.

 

2.  Использовать энергию Солнца  в быту можно и без превращения  ее в электричество. Для того  чтобы «протопить» холодную комнату  или нагреть воду в водопроводе, можно напрямую воспользоваться солнечным теплом. Установки, собирающие, сохраняющие и передающие это тепло, называются солнечными коллекторами. В простейшем варианте все выглядит так: на крыше дома или на его южной стене устанавливается панель, состоящая из тоненьких трубочек, по которым в специальный бак-аккумулятор подается вода. Солнце нагревает трубки, те нагревают воду, вода (температура которой в этой системе при использовании зеркального поддона может доходить до 60-90°С) накапливается в баке и потом используется для обогрева или горячего водоснабжения. Дома, оборудованные такими системами (которые обычно доукомплектовываются и кремниевыми солнечными элементами), называются «солнечными домами». С одной стороны, этот дом стоит несколько дороже, чем обычный, но с другой - он позволяет резко сократить коммунальные платежи - на 50-70%.

 

3.  Однако встречаются и более  серьезные системы. Одна из  таких была сооружена в США  в штате Нью-Мексико еще в  1978 году и работает до сих  пор. Называется - Национальная солнечная установка для тепловых испытаний (NSTTF). Принадлежит она Пентагону и применяется для проверки жаропрочности корпусов военных и гражданских ракет. Состоит NSTTF из 60-метровой башни-мишени и 220 гелиостатов, размером 6х6 метров каждый. Зеркала, подобно архимедовой установке, направляют свои солнечные зайчики в одно полутораметровое пятнышко на верхушке установки, где температура в солнечные дни поднимается до 2 000°С. Всего в 2,5 раза меньше, чем на поверхности Солнца, и в 2 раза выше температуры горения напалма. Установка имеет площадь зеркал 8 500 м2 и тепловую мощность 5 МВт. [5]

 

4.  Республике  Корея в 2008 году было установлено  274 мегаватта мощности солнечных  панелей. Это сравнимо с мощностью  Владивостокской ТЭЦ в том же году.

 

5.  Еще  больше прогресс в Японии, где  суммарная мощность солнечных  электростанций приближается уже  к 3 гигаваттам! Кто-то скажет, что  в Японии много солнца и  нам равняться на них сложно. Но вот вам реальный факт: в  Германии установлено уже свыше 5 гигаватт солнечных панелей! А ведь немцы наш северный сосед и получают куда меньше солнца, чем Приморье.

 

 

Как работают солнечные панели

 

Наиболее  эффективными с энергетической точки  зрения устройствами для превращения  солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку позволяют осуществить прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Фотовольтаический эффект (преобразование энергии света в электроэнергию) был открыт в 1839 году молодым французским физиком Эдмондом Беккерелем. Однажды 19-летний Эдмонд, проводя опыты с маленькой электролитической батареей с двумя электродами обнаружил, что на свету некоторые материалы производят электрический ток. Отчего это происходит? Дело в том, что солнечный свет несет определенную энергию. Разным длинам волн света, воспринимаемыми нами как разные цвета (красный, синий, желтый и т.д.) соответствуют свои уровни энергии. Попадая на воспринимающий полупроводниковый слой, свет передает свою энергию электрону, который срывается со своей орбиты в атоме. А поток электронов и есть электрический ток. Но до создания первой солнечной батареи прошло еще более сорока лет: в 1883 г. Чарльз Фритц покрыл кремниевый полупроводник очень тонким слоем золота и получил солнечную батарею, КПД которой составил не более 1%. Аналогичные современным фотовольтаические элементы были запатентованы как «светочувствительные элементы» в 1946 г. компанией Russell Ohl. Первый искусственный спутник с применением фотовольтаических элементов был запущен СССР в 1957 г., а в 1958 г. США осуществили запуск спутника Explorer 1 с солнечными панелями. Эти два события показали, что солнечные панели могут служить единственным и достаточным источником энергоснабжения геостационарных спутников, что подтвердило компетентность солнечных батарей. Это был важный момент в развитии данной технологии, так как в результате успешных запусков несколько правительств инвестировали колоссальный объем средств в ее разработку. Начиная с 2000 г. в арифметической прогрессии росла эффективность производимых кремниевых моно- и поликристаллических фотоэлектрических элементов, достигнув к 2007 году максимальных значений 19%. Другие же технологии из-за меньшей эффективности оказались обделены вниманием разработчиков до недавнего времени. В целом погоня за эффективностью и создание дорогих солнечных элементов оправдывали себя только для применения в космосе, где важен каждый грамм и квадратный сантиметр. Для практического использования солнечных панелей на Земле требовались сравнительно недорогие и качественные элементы, пригодные для массового производства и применения. Именно такими и стали кремниевые солнечные панели. В настоящее время лидером является моно- и поликристаллический кремний - 87% мирового рынка. Аморфный кремний составляет 5% рынка, а тонкопленочные кадмий-теллуровые элементы - 4,7%. Основным материалом для производства солнечных фотоэлектрических панелей остается кремний. Причиной является его повсеместная доступность. Немалую роль играет и разработанность технологии, поскольку кремний очень широко используется в разных видах электроники. Основой для солнечных панелей являются тонкие срезы кремниевых кристаллов. Чем тоньше слой - тем меньше себестоимость. Параллельно повышается эффективность. В 2003 году в среднем в индустрии фотовольтаики толщина слоя в наиболее качественных элементах составляла 0,32 мм, а к 2008 году уменьшилась до 0,17 мм. А эффективность повысилась с 14% до 16%. В этом году планируется достигнуть показателей 0,15 мм при эффективности 16,5%.

 

 

Способы получения  электричества и тепла из солнечного излучения

 

 

 

1.  Получение  электроэнергии с помощью фотоэлементов.

 

2.  Преобразование  солнечной энергии в электричество  с помощью тепловых машин:

 

3.  паровые  машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый  газ, пропан-бутан, фреоны;

 

4.  двигатель  Стирлинга и т. д.

 

5.  гелиотермальная энергетика  — Нагревание поверхности, поглощающей  солнечные лучи, и последующее  распределение и использование  тепла (фокусирование солнечного  излучения на сосуде с водой  для последующего использования  нагретой воды в отоплении  или в паровых электрогенераторах).

 

6.  Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии  в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).

 

7.  Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри  баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

 

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

 

Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния

Физический  принцип работы фотоэлемента

 

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом 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. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

 

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

 

·  отражением солнечного излучения  от поверхности преобразователя,

 

·  прохождением части излучения  через ФЭП без поглощения в  нём,

 

·  рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,

 

·  рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,

 

·  внутренним сопротивлением преобразователя,

 

·  и некоторыми другими физическими  процессами.

 

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

 

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

 

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

 

·  переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым  структурам;

 

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

 

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

 

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

 

·  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.

 

 

Фотоэлектрический эффект - явление  испускания электронов веществом под  действием света. Было открыто в 1887 Г.Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке легче возникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герц экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второго разряда. В 1889 Дж.Томсон и Ф.Ленард установили, что при освещении поверхности металла в откачанном сосуде она испускает электроны. Продолжая эти исследования, Ленард продемонстрировал в 1902, что число электронов, вылетающих в 1 с с поверхности металла, пропорционально интенсивности света, тогда как их энергия зависит лишь от световой длины волны, т.е. цвета. Оба эти факта противоречили выводам теории Максвелла о механизме испускания и поглощения света. Согласно этой теории, интенсивность света служит мерой его энергии и, конечно, должна влиять на энергию испускаемых электронов.