Солнечные электростанции

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;

- 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.

 

1.5 Направления научных исследований в солнечной энергетике

 

1. Фундаментальные  исследования.

Из-за теоретических  ограничений в преобразовании спектра  в полезную энергию (около 30 %) для  фотоэлементов первого и второго  поколения требуется использование  больших площадей земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров (для сравнения, - гидроэнергетика, при таких же мощностях, выводит из пользования заметно большие участки земли), но строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности и поэтому в основном устанавливаются фотоэлектрические станции мощностью 1 - 2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки. Фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8-2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота. Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

Поток солнечной  энергии, падающий на установленный  под оптимальным углом фотоэлемент, зависит от широты, сезона и климата  и может различаться в два  раза для заселённой части суши (до трёх с учётом пустыни Сахары). Атмосферные  явления (облака, туман, пыль и др.) не только изменяют спектр и интенсивность  падающего на поверхность Земли  солнечного излучения, но и изменяют соотношение между прямым и рассеянным излучениями, что оказывает значительное влияние на некоторые типы солнечных  электростанций, например, с концентраторами  или на элементах широкого спектра  преобразования.

 

2. Прикладные  исследования

Фотоэлектрические преобразователи работают днём и  с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме  того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления  этих недостатков на солнечных электростанциях  используются эффективные электрические  аккумуляторы (на сегодняшний день это не достаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции, которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики, которая на сегодняшний день пока недостаточно экономически эффективна. На сегодняшний день эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций.

На сегодняшний  день сравнительно высокая цена солнечных  фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В 1990-2005 гг. цены на фотоэлементы снижались  в среднем на 4 % в год.

Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных  ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических  станций, при их площади в несколько  квадратных километров это может  вызвать затруднения.

Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это  касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость  в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в фотоэлектрических  преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения  в излучение наиболее согласованное  с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что  одновременно повышает КПД.

Через 30 лет эксплуатации эффективность  фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в  основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо  выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации.

 

3. Экологические  проблемы.

При производстве фотоэлементов уровень загрязнений  не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы (30-50 лет). Применение кадмия, связанного в соединениях, при  производстве некоторых типов фотоэлементов, с целью повышения эффективности  преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет  пока приемлемого с экологической  точки зрения решения, хотя такие  элементы имеют незначительное распространение  и соединениям кадмия при современном  производстве уже найдена достойная  замена.

В последнее  время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе  которых содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе  подложки на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность  и неустранимую деградацию характеристик  во времени. Кроме того, развивается  производство тонкоплёночных фотоэлементов  на других полупроводниковых материалах, в частности CIS (медь-индий-селен) и CIGS (медь-индий-галлий-селен), достойных  конкурентов кремнию.

 

Заключение

 

Запасы  солнечной энергии огромны. Его можно использовать различным способом:

- получение  электрической энергии;

- освещение  помещений в дневное время  суток, например световые колодцы;

- нагрев воды, в настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии, и т.д.

Как и  у любой другой энергетики у солнечной  энергетики есть свои достоинства и  недостатки. Достоинства:

1. Общедоступность и неисчерпаемость источника.
2. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки:

1. Зависимость от погоды и времени суток.

2. Как следствие необходимость аккумуляции энергии.

3. При  промышленном производстве - необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.

4. Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).

5. Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.

6. Нагрев атмосферы над электростанцией.