|
|
Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
2.3.4. Конструкция и недостатки солнечных элементов
Т ипичная структура солнечного элемента с p–n переходом на основе монокристаллического кремния изображена на рис.2.21. Она включает: слой полупроводника (толщиной 0,2–1,0 мкм) с n–проводимостью 1, слой полупроводника (толщиной 250–400 мкм) с p–проводимостью 2, добавочный потенциальный барьер (толщиной 0,2 мкм) 3, металлический контакт 4, лицевой металлический контакт 5. Характерный размер солнечного элемента 10 см.
Напряжение холостого хода солнечных элементов составляет около 0,6 В, а плотность тока короткого замыкания достигает 4 мА/см2. Так как для большинства потребителей требуются более высокие значения напряжения и тока, то солнечные элементы последовательно соединяются в солнечные модули, которые в свою очередь параллельно соединяются в солнечные батареи как изображено на рис. 2.22.
Недостатки солнечных элементов: высокая стоимость, низкий КПД, изменение рабочих параметров (напряжение и тока) солнечного элемента при изменении нагрузки, выработка постоянного тока.
 Рис 2.22. Солнечный элемент (СЭ), солнечный модуль (СМ)
и солнечная батарея (СБ)
Поскольку энергии солнечного излучения падающего на земную поверхность во много раз больше, чем необходимо для жизнедеятельности человечества, то низкий КПД солнечных элементов не является сдерживающим фактором для развития фотогенерации. Основная причина малого применения солнечных элементов это их высокая стоимость. Поэтому поиск более дешевых материалов (пускай даже с более низким КПД) – основное направление развития фотогенерацими. Необходимо заметить, что также значительно повышает стоимость солнечной батареи (в 1,5–2 раза) дополнительное оборудование по поддержанию заданного рабочего напряжение солнечного элемента при любой грузки и по преобразованию вырабатываемого постоянного тока в переменный.
2.3.5. Ограничения эффективности работы солнечных элементов
Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение максимальной мощности вырабатываемой элементом электрической энергии к энергии падающей на элемент потоку излучения. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10–15% (то есть при освещенности 1 кВт/м2 вырабатывают электрическую мощность 1–1,5 Вт) при создаваемой разности потенциалов около 1В.
Имеются следующие потери энергии при работе солнечных элементов:
Отсутствие поглощения фотонов с энергией, меньшей энергией запрещенной зоны  (потери для фотоэлементов на основе кремния
23%). Для кремния  эВ, следовательно, солнечный элемент не воспринимает солнечные фотоны с длиной волны  мкм. Кроме того, эти фотоны приводят к нагреву солнечных элементов, что ухудшает качество их работы.
Электронвольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В (1 эВ = 1,6·10-19 Дж).
Избыток энергии фотонов переходит в тепло  , что также ухудшает работу солнечных элементов (потери для фотоэлементов на основе кремния
33%).
Потери фототока происходит из-за наличия темнового тока, который увеличивается при увеличении ЭДС во внешней цепи (потери для фотоэлементов на основе кремния 20%). Увеличение концентрации примесей приводит к снижению потерь, однако концентрация примесей ограничена технологически.
Возникновение потерь из-за наличия контакта на поверхности солнечного элемента. Если контакт маленький, возникают большие сопротивления, если большой – уменьшается площадь поверхности, воспринимающий солнечное излучение (потери 3%).
Отражение солнечного излучения от принимающей солнечное излучение поверхности (потери 1%).
В результате КПД солнечных элементов составляет 10–15%. При выполнении усовершенствований солнечных элементов предполагается поднять КПД солнечных элементов с n–р–переходом в ближайшее время до 22–25%. Однако имеющиеся научные исследования утверждают, что спектр солнечного излучения ограничивает КПД солнечного элемента не более 47%.
Увеличить КПД фотогенерации можно путем применение полупроводниковых преобразователей с гетеропереходами, многопереходных фотоэлементов, солнечных комбинированных фототермодинамических энергоустановок.
Особенно перспективными считаются полупроводниковые преобразователи с гетеропереходами. Они изготовлены из двух различных по химическому составу полупроводников (в отличие от описанного нами одного, но легированного с двух сторон разными примесями). Соответственно ширина запрещенных зон в каждом различна. В области n–р–перехода возникает, за счет взаимного сглаживания потенциальных барьеров, дополнительная фото-ЭДС. Получены КПД около 20% на фотодиодах с гетеропереходом «арсенид алюминия – арсенид галлия». Примечательно, что при нагреве такие фотодиоды не ухудшают свои фотоэлектрические свойства.
Многопереходные фотоэлементы. Основные потери в большинстве современных солнечных элементов связаны с тем, что свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более солнечны элементов с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.
В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.
Солнечные комбинированные фототермодинамические энергоустановки. Схема комбинированной солнечной энергоустановки соответствует ее основной идее сочетание в одной установке фотоэлектрического и теплового методов преобразования энергии. Это сочетание основано на утилизации тепла, отводимого от фотоэлектрической батареи. Наиболее важным параметром влияющим на КПД фотопреобразователей является рабочая температура фотоэлектрических преобразователей. Ее значение также будет определяться расчетным путем физической и экономической оптимизации.
2.3.6. Материалы для изготовления фотоэлементов
Солнечный элемент может изготавливаться из различных типов полупроводников. Необходимые требования, предъявляемые к материалам:
повышенная способность к поглощению солнечного излучения,
максимально приближенная к идеальной для солнечного излучения (1,5 эВ) для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны;
относительная нечувствительность к нагреву;
высокая радиационная стойкость, что позволит использовать этот материал в космических аппаратах;
низкая стоимость.
Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является монокристаллический кремний. Однако в настоящее время достигнуты практически предельные показатели их энергетической эффективности при массовом промышленном производстве: КПД солнечных элементов 14–16% – при внеатмосферном освещении и температуре 28С, плотность мощности солнечных батарей 150–175 Вт/м2 и удельная мощность 50–70 Вт/кг.
Производство структур на основе монокристаллического кремния – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Это обусловлено тем, что оптическое поглощение монокристаллического кремния невысокое и поэтому для существенного поглощения солнечного излучения требуются дорогостоящие кремниевые подложки толщиной 250–400 мкм. Кроме того, для изготовления таких подложек на основе монокристаллического кремния необходимы трудоемкие операции резки, шлифовки и полировки. При резке выращенного при температуре более 1000С монокристаллического цилиндра на пластины почти половина материала уходит в стружку.
Поэтому внимание в последнее время было обращено на материалы обладающие высокими поглощательными свойствами: аморфный кремний, арсенид галлия, теллурид кадмия и поликристаллические полупроводники.
Аморфный кремний (a–Si:Н) выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые солнечные элементы на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Это позволяет применять пленки толщиной 0,5–1,0 мкм, которые изготавливаются более дешевыми методами напыления. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе производят при более низких температурах (300С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз. Ширина запрещенной зоны 1,1 эВ. Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе аморфного кремния – 12%, несколько ниже КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов (15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе аморфного кремния достигнет теоретического потолка – 16%.
Арсенид галлия (GaAs) – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется тем, что у него почти идеальная ширина запрещенной зоны 1,43 эВ, очень высокая способность к поглощению излучения, относительная нечувствительность к нагреву, высокая радиационная стойкость.
Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои арсенид галлия на удаляемых подложках или подложках многократного использования.
Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотогенерации. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки теллурид кадмия достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами. Солнечные элементы на основе теллурид кадмия обладают высокими значениями КПД, от 10 до 16%.
Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99% света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ). Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к повышению эффективности устройства.
Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Органические материалы на основе углерода могут обладать пролупроводниковыми свойствами (углерод находится в той же группе периодической системы, что и кремний, но сам полупроводником не является). Сравнительная дешевизна органических материалов и обширные сведения по органической химии делают развитие этой области весьма интересным. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана TiO2, покрытого органическим красителем, весьма высок – 11%.
В 1958 году впервые солнечные батареи были использованы в США для энергообеспечения искусственного спутника Земли. В последующем они стали неотъемлемой частью космических аппаратов. Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие электронные аппараты, работающие на солнечных батареях.
Полная стоимость солнечных элементов с 1974 по 1984 год упала примерно со 100 до 4 долларов США на 1 Вт максимальной мощности. Предполагается снижение этой величины до 0,8 долларов США. Однако даже при полной стоимости солнечных элементов 4 доллара США на 1Вт плюс вспомогательной аппаратуры 2 доллара США на 1 Вт при облученности местности 20 МДж/м2 в день и долговечности солнечных батарей 20 лет стоимость вырабатываемой ими электроэнергии составляет примерно 16 центов США за 1кВтч (4,4 цента за МДж).
2.3.7. Применение солнечной энергии в космосе
Солнечные энергоустановки в настоящее время являются самым популярным источником энергии для широкого спектра космических аппаратов, выполняющих научные, коммерческие и оборонные задачи. В целом суммарная мощность космических солнечных батарей в ближайшее десятилетие может достигнуть 10 000 кВт и возможно более, а объем их промышленного производства должен будет находиться на уровне не менее 1 МВт/г.
В 21 веке по прогнозам специалистов многих стран начнется создание солнечных космических электростанций, которые будут дистанционно передавать энергию, как на космические аппараты, так и на Землю. Такие космические электростанции обладают рядом преимуществ:
воспринимают неискаженное атмосферой солнечное излучение;
легко меняют ориентацию, т. к. находятся в невесомости;
воздействие солнечного излучение постоянно и не зависит от внешних факторов;
накоплен опыт и технологии для их создания.
Основная проблема при использовании таких электростанций это разработка способа передачи вырабатываемой энергии на Землю потребителю. Изучаются варианты передачи энергии в виде направленного лазерного или СВЧ–излучения.
2.4. Прямое использование солнечной энергии
Прямое использование солнечной энергии для освещения помещений позволяет эффективно экономить электроэнергию. Республике в целом использование естественного освещения даст снижение электропотребления на освещение свыше 7%, и сельскому хозяйству до 5%. Это в среднем 225 млн. кВтч/г по республике, т.е. 10% от всей производимой электроэнергии с помощью тепловых электростанций.
Известен целый ряд устройств для непосредственной передачи в помещение солнечного света: окна с жалюзи, световой фонарь, специальное остекление, световой люк, коллектор с распределительным световодом. Применение последних двух устройств из этого списка наиболее перспективно и целесообразно в условиях сельскохозяйственного производства.
2.4.1. Световод
Световод это устройство, предназначенное для передачи электромагнитных волн оптического диапазона, состоящий из жгута оптических волокн. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно проста. Сердечник 1 из оптически более плотного материала окружен оболочкой 2 с меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой 3 (рис. 2.23, а). Оптическое волокно – типичный диэлектрический волновод электромагнитных волн.
Волоконно-оптические технологии в освещении применяются уже несколько десятилетий, но до сих пор считаются экзотикой. Между тем, применение оптоволокна позволяет легко и элегантно решать сотни технических проблем, возникающих при разработке световых проектов. Световоды хорошо себя зарекомендовали в качестве медицинских и технических эндоскопов, предназначенные для визуального наблюдения внутренних органов человека и животного, а также при осмотре деталей конструкций, находящихся в труднодоступных местах (например, двигатели самолетов и автомобилей). Стеклянное оптоволокно давно применяется в телекоммуникации для передачи данных с высокой скоростью.
Рис. 2.23. Поперечное сечение световода (а),
эффект полного отражения луча при угле падения больше критического (б)
Для того чтобы передать свет на некоторое расстояние необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых, обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым, сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечить движения луча только внутри волокна (без рассеивания). Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью законов геометрической оптики.
Когда поток света пересекает границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 то, как известно, наблюдаются два явления: преломление и отражение. Если световой поток пересекает границу раздела со стороны оптически более плотной среды, то угол преломления больше угла падения. С ростом угла падения преломленный луч будет прижиматься к границе раздела. И, наконец, при определенном угле падения, называемом критическим, преломленный луч начнет скользить вдоль поверхности раздела. При углах падения, больших критического, преломленный световой поток отсутствует (в идеализированном случае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала – вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке (рис.2.23, б). Это явление носит название полного внутреннего отражения. На эффекте полного внутреннего отражения построены все оптические волокна. Условно оптическим волокном называют световоды, диаметр которых менее 0,5 мм.
Традиционные стеклянные волноводы требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Большие надежды возлагаются сейчас на полимерные волокна, которые примерно вдвое дешевле стеклянных. Пластик не подходит для создания высокоскоростных линий передачи данных, но вполне пригоден для расстояний порядка нескольких десятков метров.
И сердцевина, и оболочка оптического волокна изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно типа "стекло–стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на величину порядка 1%.Затухание в световоде, то есть потеря мощности светового сигнала происходит, в основном, по двум причинам: поглощение и рассеивание.
Поглощениесвязано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света.
Рассеиваниеменьше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина волокна, но и от качества оболочки, так как часть сигнала, вопреки геометрической оптики, распространяется в ней (это явление связано с квантовой природой света). Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.
Волокна бывают различных диаметров, причём чем тоньше волокно, тем легче его сгибать, поэтому использование световода (оптоволоконного кабеля), объединяющего несколько волокон, является более практичным, чем применение одного волокна большего диаметра. Для механической защиты волокон в световоде употребляется пластиковая оболочка, сходная с изоляцией обычного кабеля (ПВХ, меголон и т.д.).
Диаметр волоконной жилы может быть весьма мал, т.к. явление прохождения света через стержень принципиально не меняется до тех пор, пока диаметр не станет сравнимым с длинной световой волны – в таком случае законы геометрической оптики теряют силу, и в значительной мере начинают проявляться волновые свойства света (дифракция). Проходя через оптоволокно диаметром 50 микрон, свет может претерпевать от 3000 до 20000 отражений на метр, следовательно, для обеспечения высокого светопропускания необходима гладкая поверхность и высокая прозрачность среды световода, а так же прилегающей к нему среды.
Плотно расположенные в жгуте волокна соприкасаются друг с другом, и просачивание света наблюдается не только на самой линии контакта волокон, но и в области, где расстояние между ними меньше половины волны. Для предупреждения просачивания света волокна необходимо изолировать друг от друга тонкой оболочкой из прозрачного материала с меньшим показателем преломления, чем у волокон (именно с этой целью на жилу волокна наносится оболочка с близким значением показателя преломления). Такая оболочка должна обеспечить гладкость и чистоту поверхности светопроводящей сердцевины волокна, необходимые для исключения световых потерь при полном внутреннем отражении. Так же для предотвращения просачивания на волокно можно нанести тонкий слой металла. В многожильных световодах удобно применять стеклянные волокна, изолированные друг от друга специально подобранной пластической изоляцией. Многожильные волокна обладают хорошими механическими свойствами (гибкость, прочность).
Светопропускание современных оптических волокон составляет не менее 90% на метр, а поглощение не более 0,1% на метр. Необходимо так же отметить, что в жгутах хорошего качества свет, вошедший через боковые поверхности, может уйти только через поверхности, параллельные оси волокна, т.е. свет, вошедший не со стороны входного торца световода, не может покинуть световод через наблюдаемый (выходной) торец.
Материалы оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны. Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех. Они совершенно электробезопасны, поскольку переносимые в них мощности очень малы. Производители как полимерного, так и стеклянного оптоволокна декларируют средний срок службы изделий более 20 лет.
Жгуты для передачи света имеют следующие размеры: диаметр жгута 5–100 мм, диаметр единичного волокна 2–500 мкм, длина жгута 100–5000 мм.
Световоды бывают двух типов – торцевого и бокового свечения. Оптоволоконные кабели торцевого свечения работают по классической схеме передачи света с минимальными потерями в заданную точку пространства. Принцип действия кабелей бокового свечения, наоборот, основан на «побочном эффекте» свечения оптоволокна, возникающем из-за потерь при внутреннем отражении, когда часть света проходит наружу (это происходит при изгибе волокна, когда угол падения лучей меньше предельного и фактически внутреннее отражение становится не полным, а частичным. В световодах бокового свечения используются такие же волокна, как и в кабелях торцевого свечения, только они особым образом скручены или переплетены. При этом применяется прозрачная гибкая оболочка, и свет становится хорошо видным, создавая боковое свечение вдоль световода.
Свет входит из проектора в один из концов оптоволоконного световода, доставляется в нужную точку пространства, распространяясь внутри волокна благодаря явлению полного внутреннего отражения, и свободно излучается другим концом световода.
Щелевой световод (рис. 2.24) представляет собой округлую или прямоугольную трубу, в зависимости от используемого в нём зеркального покрытия. Зеркальные покрытия в круглых световодах, как правило, состоят из тонкого слоя алюминия, и имеют, к сожалению, низкий коэффициент отражения (не более 0,7), однако они самые дешёвые из всех производимых зеркальных покрытий. Также используют дорогостоящую призматическую плёнку, имеющую коэффициент отражения до 0,95.
Рис. 2.24. Схема световода:
1 – источник света; 2 – оптическое вводное устройство; 3 – светофильтр;
4 – оболочка световода; 5 – экстрактор; 6 – цилиндрическое зеркало.
Система оптоволоконного освещения состоит из трех основных частей: проектор, световодный жгут и оптические насадки (рис. 2.24). Проектор – не просто ящик с лампой, а довольно сложное устройство, в котором, помимо источника света со встроенным отражателем, могут находиться источник питания, пускорегулирующая аппаратура, экран, оптический порт, система охлаждения с вентилятором.
Проектор – активный элемент оптоволоконной системы освещения – нуждается в особом обращении при установке и обслуживании. Во-вторых, очень важно правильное размещение проектора. По возможности он должен быть размещён вблизи концов световодов – это позволит существенно удешевить систему. Следует обеспечить доступ к проектору для чистки и замены лампы. Наконец, очень существенным аспектом является вентиляция. Для систем на базе полимерных волокон необходимо обеспечить температуру в области оптического порта не выше 30C, поэтому в помещении, где предполагается устанавливать проектор, должно быть достаточно воздуха. В зависимости от применяемых источников света проектор может быть галогенным, газоразрядным или светодиодным.
Световодный жгут – уникальная часть системы, состоящая из группы волокон и световодов различных типоразмеров и длин. Световодный жгут, точнее тот его конец, который присоединяется к проектору, специальным образом обрабатывается и вставляется в соединительное устройство – оптический порт.
Оптические насадки, служащие для перераспределения в пространстве светового потока, выходящего из оптоволоконного световода, очень разнообразны и подобны миниатюрным светильникам разных типов. Насадки бывают неподвижными, поворотными, угловыми («кососветы»), с регулируемым по ширине световым пучком и чисто декоративные. |
|
|
Скачать 6.34 Mb.