Солнечная энергетика. История развития солнечной энергетики 4 Классификация солнечных энергетических
 Скачать 1.97 Mb.
|
|
Содержание: Введение 3
установок и их особенности 7
фотоэлектрические преобразователи света 9
отопительные системы зданий и сооружений 25
двигателях Стирлинга? 27
у листьев лотоса 35
солнечной энергетики 43 Заключение 46 Список литературы 48 Введение Энергетика является той отраслью экономики, которая является индикатором уровня развития производства, науки и страны в целом. Человечество за всю историю своего существования израсходовало примерно 950 трлн кВт/ч энергии всех видов, причем 2/3 от этого приходится на последние 30 лет. Поэтому проблема освоения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии становится все более актуальной. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана. В последнее десятилетие интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны. Потенциальные возможности энергетики, основанной на применении непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего 0,0005% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу. Солнечная энергия - кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (Солнце будет «светить» ещё примерно 4 млрд лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Подсчитано, что небольшого процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится. Солнце - источник энергии очень большой мощности. Всего 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на планете. На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно. Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т.е. наличие электрического тока. Солнечная энергия может быть использована для теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности.
Первые опыты использования солнечной энергии в технике относятся к 17 веку. В частности, в 1600 году во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце 17 века ведущий французский химик А. Лаувазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 ˚C и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8 на 3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20  и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1855 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому. В 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном в Чили была построена первая крупномасштабная установка для дистилляции воды. Она эксплутировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника. В 1890 г. профессор В. К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 ˚C. На башенных СЭС сегодня зеркала (гелиостаты) отражают солнечное излучение на теплоприемник, установленный на высокой башне. Этот принцип англичанин Уильям Адаме использовал для своей энергетической установки в Бомбее ещё в 1878 г. Прототип мощной гелиостанции с параболоцилиндрическими отражателями, подобной той, что используется сегодня в калифорнийской пустыне Мохаве и вырабатывает пар для турбин, также был разработан в конце 19 века. Впервые их начал широко применять американский предприниматель Фрэнк Шуман. Его установки на окраине Каира качали на поля воду Нила. К сожалению, эта действовашая солнечная силовая установка мощностью в 40 кВт была разрушена в первую мировую войну. Солнечная энергия, как известно, может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей двух типов – фотоэлектрических, реализующих фотовольватический эффект, и фотоэмиссионных, в которых облученные солнечным светом испускают (эмитируют) электроны, захватываемые проводниками, расположенными под поверхностью эмиттера. Практическое применение нашел лишь первый метод фотопреобразования вследствие его значительно более высокой энергетической эффективности. Решающим фактором для этого направления явилось создание кремниевых фотоэлементов с p-n переходом, имевших КПД около 6 %. Впервые кремниевые солнечные батареи для энергетических целей были применены не на Земле, а в околоземном космическом пространстве. В 1958 г. были запущены искусственные спутники Земли, оснащенные такими батареями, - советский «Спутник -3» и американский «Авангард – 1». В начале 1960-х гг. были созданы и первые солнечные фотоэлементы с p-n переходом на основе арсенида галлия. Эти фотоэлементы уступали по эффективности кремниевым, но были способны работать даже при незначительном нагреве. Первое практическое применение усовершенствованных солнечных батарей на основе арсенида галлия для энергетических целей было связано с обеспечением электроснабжения советских космических аппаратов, работающих в окрестностях планеты Венеры, а также самоходных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2», исследовавших поверхность Луны (1970 и 1972 годы). Новая страница в истории солнечной энергетики открылась с созданием солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs-GaAs. Поскольку такие гетерофотоэлементы оказались к тому же и более радиационно-стойкими, они быстро нашли применение в космической технике, несмотря на значительно более высокую стоимость по сравнению с кремниевыми фотоэлементами (советская станция «Мир»). Широкое развертывание индустрии по производству приборов полупроводниковой электроники обусловили исключительно важное значение кремниевых фотоэлементов в становлении нарождающейся солнечной энергетики. До середины 1980-х гг. совершенствование солнечных элементов на основе как кремния, так и арсенида галлия осуществлялось на базе относительно простых структур и простых технологий. А с середины 1980-х гг. были предложены структуры фотоэлементов, позволяющие снизить в них как оптические, так и рекомбинационные потери. В результате был достигнут резкий скачок в эффективности фотоэлектрического преобразования в кремниевых фотоэлементах. Позже появились различные типы механически состыкованных двухкаскадных солнечных элементов, более эффективные, чем фотоэлементы с одним p-n переходом. Сейчас в стадии практического использования находятся трехкаскадные фотоэлементы, но опыт их использования позволяет надеяться на достижение высоких значений КПД в структурах с четырьмя, пятью, а может быть и более каскадами. С начала 1990-х гг. в практике создания солнечных концентрационных систем возникло новое направление, базирующееся на концепции малоразмерных модулей. Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах. В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м 2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором. В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 ˚С, воздух и другие газы - до 1000 ˚С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 ˚С, жидкометаллические теплоносители - до 800 ˚С. Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам ХХ столетия. В Калифорнии в 1994г. введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт/ч энергии - 7-8 центов. Предложен метод использования солнечной энергии без использования системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16% даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% стоимости современных солнечных батарей). Американские эксперты считают многообещающей солнечную термоэнергию, для производства которой используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло и свет, при посредстве которых нагревается вода. Например, в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск), выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м3 в год.
Солнечная энергия универсальна с точки зрения возможностей её использования человеком для своих нужд. Солнечное излучение может быть относительно легко преобразовано в тепловую, механическую и электрическую энергии, а также его используют в химических и биологических процессах. Технологические процессы преобразования и использования солнечного излучения по своей сложности могут быть очень разными. Солнечные энергетические установки очень сильно отличаются друг от друга своими габаритами: от микроминиатюрных источников питания микрокалькуляторов до огромных технических конструкций в башенных СЭС высотой 100 м и весом в сотни тонн. Существует множество различных технологических схем преобразования солнечного излучения в электрическую энергию на основе широко известных в технике тепловых циклов (Ренкина или Карно), теплоэлектрических и термоэмиссионных процессов. В связи с выше сказанным первоочередное значение приобретает задача четкой классификации СЭУ, проводимая в целях облегчения поиска путей дальнейшего повышения их эффективности. СЭУ классифицируют:
Солнечное излучение преобразуется в другие виды энергии, используется в химических и биологических процессах. При использовании СЭУ в электроэнергетике и теплоэнергетике их можно разделит на три категории, определяемые видом их применения для определенных потребителей энергии:
В зависимости от этого существенно меняются требования к информационному обеспечению гелиоэнергетических расчетов самой системы энергоснабжения, включающей в себя СЭУ или СЭС. В зависимости от категории использования СЭУ могут появиться требования об обязательном их сочетании с системой аккумуляции энергии любого эффективного вида или с другими видами энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии. Например, это касается работы СЭУ на автономного потребителя, в том числе и повышенной категории надежности, что потребует наличия не только суточного, но и более длительного цикла аккумуляции энергии. В системных больших солнечных энергетических станциях подобные требования обычно отсутствуют, если при этом не появляется необходимость поддержания в рабочем состоянии всего вспомогательного хозяйства СЭУ или в периоды отсутствия солнечного излучения и связи с энергосистемой. Здесь помимо обычных систем аккумуляции энергии могут быть использованы и традиционные энергоустановки на органическом топливе.
СЭУ по месту размещения подразделяются на наземные и космические. Системы защиты СЭУ у них будут принципиально разными: в космосе – защита приемной площадки от жесткого космического излучения, разрушающего сами приемные площадки; на Земле – охлаждение СЭУ, от пыли. Учет цикличности, а также заметного случайного характера процесса солнечного излучения на поверхности Земли, может потребовать обязательного сочетания СЭУ с системой аккумуляции энергии в зависимости от категории использования СЭУ.
В данном случае стационарные энергетические установки бывают переносные, передвижные и стационарные, отличающиеся массогабаритными характеристиками и сложностью конструктивного исполнения. Также существенно отличаются друг от друга по надежностным характеристикам.
С постоянной (неизменной) ориентацией на поверхности Земли и системой слежения за Солнцем, применяемой для максимизации солнечного излучения на приемную площадку. К постоянно ориентированным на Солнце СЭУ относятся энергоустановки бытового назначения, размещенные на крышах строений, на Земле с ориентацией на юг под постоянным углом к горизонту и на специальных конструкциях-каркасах для размещения СЭУ.
СЭУ можно разделить на простейшие и сложные как по техническому циклу, так и по исполнению. К простым относят: нагреватели, подогреватели воздуха, сушилки продуктов с/х, отопительные системы, опреснители воды и т. д.
Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) - химическими. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1  за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90хС. Работающие по такому принципу типовые гелиоустановки снабжают горячей водой многие дома в южных районах.И все же будущее солнечной энергетики - за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей. Еще в 30-х годах прошлого века, когда кпд первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р-n-переходом. Схема работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента достаточно проста: в р-слое полупроводника создается "дырочная" (положительная) проводимость, а в n-слое - электронная (отрицательная). На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению носителей (электронов и "дырок") из одного слоя в другой (в таком стационарном состоянии ток не течет по всему полупроводнику). Когда же на фотоэлемент падает свет (поток фотонов), фотоны, поглощаясь, создают пары электрон-"дырка", которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает наведенная электродвижущая сила (ЭДС), и он становится источником электрического тока. Величина фото-ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток.  Рис.1. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДСВеличина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 2):  Рис.2. Вольт-амперная характеристика солнечного элементаНа рис. 3 представлена схема эквивалентного солнечного элемента. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is(  –1). P-n-переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I. Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 2).  Рис.3. Эквивалентная схема солнечного элемента Максимальная мощность, снимаемая с 1  , равнаP = Iph·U = x·Iкз·Uхх, (1) где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода. Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (их кпд достигает 10-20%), а чем выше кпд, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, которая даже в малой энергетике составляет десятки квадратных метров. Большим достижением полупроводниковой промышленности стала разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих кпд до 40%. Последнее важное направление в развитии солнечной энергетики - создание более дешевых и удобных фотопреобразователей: ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Самым высокоэффективным из них оказался алюминий-галлий-мышьяк, его промышленная разработка только начинается. Большую перспективу открывают гетероструктурные полупроводники, эффективность которых в два раза выше, чем простых кремниевых образцов. За открытие гетероструктур и их внедрение продолжатель работ А. Ф. Иоффе директор ФТИ академик Ж. И. Алферов получил в 2000 году Нобелевскую премию (см. "Наука и жизнь" № 4, 2001 г.). 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 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50 - 100 мкм 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. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые солнечные батареи 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, 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. В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи и где очень важны понятные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солн. батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании концентрированным в 3-5 раз солнечным излучением, что соответственно, снижает потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подложки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al2O3).Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния. Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке (рис.) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов – эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.  Рис. 4. Схема термофотоэлектрического солнечного элемента Таким образом, признанные во всем мире отечественные полупроводники - это та база, на основе которой можно успешно развивать солнечную энергетику. |