Солнечные батареи

 

 

 

Содержание

1. Введение
2. Солнечная батарея
3. Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии
4. Физический принцип работы фотоэлемента
5. Фотоэлементы для промышленного назначения
6. Солнечная батарея на крыше дома
7. Использование в космосе
8. Эффективность фотоэлементов и модулей
9. Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов
10. Литература

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Человечеству нужна  энергия, причем потребности в ней  увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных  топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получить в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам  ресурсов, экологической чистоте  и повсеместной распространенности наиболее перспективна.

 

2. Солнечная батарея

 

Солнечная батарея —  бытовой термин, использующий в разговорной  речи или не научной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается  несколько объединённых фотоэлектрических  преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

В отличие от солнечных  коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно  электричество. Хотя, для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).

Различные устройства, позволяющие  преобразовывать солнечное излучение  в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы, до занимающих крыши автомобилей и зданий.

 

 

3. Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии

 

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии  в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%.[1] В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40,7 %.

 

4. Физический принцип работы фотоэлемента

Преобразование энергии  в ФЭП основано на фотоэлектрическом  эффекте. Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.

Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. В 1989 г. фирмой “Боинг” создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников - арсенида и антимонида галия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28%+9%=37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций.

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:

1. отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
2. прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
3. рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
4. рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
5. внутренним сопротивлением преобразователя,
6. 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.

 

 

5. Фотоэлементы для промышленного назначения

 

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют  комплексу требований к этим системам:

высокая надёжность при  длительном (25-30 лет) ресурсе работы;

высокая доступность  сырья и возможность организации  массового производства;

приемлемые с точки  зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;

минимальные расходы  энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;

удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные  материалы трудно получить в необходимых  для создания СЭС количествах  из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации  полностью автоматизированного  производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов  СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se2 и  арсенид галлия (GaAs), причём в последнем  случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

 

 

6. Солнечная батарея на крыше дома

 

Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, очень широко используются в тропических  и субтропических регионах с большим  количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.

Новые дома Испании с  марта 2007 года должны быть оборудованы  солнечными водонагревателями, чтобы  самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование.

 

7. Использование в космосе

 

Солнечные батареи —  один из основных способов получения  электрической энергии на космических  аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Однако при полётах  на большом удалении от Солнца (за орбитой  Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

 

8. Эффективность фотоэлементов и модулей

 

Мощность потока солнечного излучения на квадратный метр, без  учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 ватт. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в  Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9 % -24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. Ожидается, что к 2010 году себестоимость снизится до 0,15 долл.

Сообщается, что в отдельных  лабораториях получены солнечные элементы с эффективностью 44 %. В 2005 году было заявлено, что российские учёные разработали 'Звездные батареи' с эффективностью фотоэлементов 90%. В 2007 году появилась информация, об изобретении российскими учёными элементов с эффективностью 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться в виду отсутствия массового производства.

 

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и  модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Кремниевые
Si (кристаллический)	24,7
Si (поликристаллический)	20,3
Si (тонкопленочная передача)	16,6
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
III-V
GaAs (кристаллический)	25,1
GaAs (тонкопленочный)	24,5
GaAs (поликристаллический)	18,2
nP (кристаллический)	21,9
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический  кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Органические
Органический полимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7