Реферат: Солнечная энергетика
Ø
отражением
солнечного излучения от поверхности преобразователя,
Ø
прохождением
части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
Ø
рассеянием на
тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
Ø
рекомбинацией
образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП,
Ø
внутренним сопротивлением
преобразователя,
Ø
и некоторыми
другими физическими процессами.
Для
уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно
применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
ü
использование
полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой
зоны;
ü
направленное
улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования
и создания встроенных электрических полей;
ü
переход от
гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
ü
оптимизация
конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового
слоя, частоты контактной сетки и др.);
ü
применение
многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование
и защиту ФЭП от космической радиации;
ü
разработка ФЭП,
прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы
поглощения;
ü
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
В системах
преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть
использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время типы ФЭП
различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако
не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:
· высокая надёжность при длительном (десятки
лет!) ресурсе работы;
· доступность исходных материалов в
достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и
возможность организации их массового производства;
· приемлемые с точки зрения сроков
окупаемости энергозатраты 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.
Так,
например, некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для
создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья
и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и
эксплутационных 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, т.е. фактически целой отрасли
промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной
промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на
автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в
2-2,5 раза.
В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем
преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний
и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о
гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.
ФЭП
(фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с галлием
(GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД,
так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной
шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной
энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.
Вследствие
более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми
оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены
при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП. Принципиально
достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20 %,
тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50-100мкм без
заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на
создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется
сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки
удастся использовать не GaAs ,а другой материал, например синтетический сапфир
(Al2 O3).
ГФП обладают
также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС
эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в
частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов
насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет
свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и
оптимальной мощности ГФП и , кроме того, существенно расширять область линейной
зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные
зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной
температуры последних до 150-180 °С не приводит к существенному снижению их КПД
и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение
температуры выше 60-70 °С является почти критическим - КПД падает вдвое.
Благодаря
устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к
ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит
до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых
двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД
арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя,
использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости. Поэтому общий
КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора
низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев
помещений - может быть даже выше 50-60 %.
Также ГФП на
основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены
разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого
уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни
и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали,
что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает
после их термообработки ( отжига) при температуре как раз порядка 150-180 °С.
Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150 °С, то
степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на
протяжении всего срока активного функционирования станций ( особенно это
касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и
размер ФЭП и высокий КПД).
В целом можно
заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на
основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.),
чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний является значительно более
доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний
широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на
его основе практически неограниченны. Технология изготовления кремниевых ФЭП
хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная
перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два порядка при
внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в
частности, получать кремниевые ленты , солнечные элементы большой площади и
т.п.
Цены на
кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30 раз с 70-100
долл/ватт в семидесятых годах вплоть до 3,5 долл/ватт в 2000 г. и продолжают
снижаться далее. На Западе ожидается переворот в энергетике в момент перехода
цены 3-долларового рубежа. По некоторым расчётам, это может произойти уже в 2002 г., а для России с нынешними энерготарифами этот момент наступит при цене 1 ватта СБ 0,3-0,5
доллара, то есть, при на порядок более низкой цене. Тут играют роль вместе
взятые: тарифы, климат, географические широты, способности государства к
реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. В реально действующих
структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в
однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния - до 18%. Среднее
значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около
12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть
сегодня на крышах домов разных стран мира.
В отличие от
кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности
производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого
внедрения.
Галлий
добывается в основном из бокситов , однако рассматривается также возможность
его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия
содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход
при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на
производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП
на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии
(ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого {на
подложке} ), не развита ещё до такой степени, как технология производства
кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на
порядки) стоимости ФЭП из кремния .
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 |