 |
Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в электрическую. |
Используются два метода - термоэлектрическое и фотоэлектрическое преобразование. В этой статье остановимся на фотоэлектрическом преобразовании.
При фотоэлектрическом преобразовании солнечной энергии используется явление фотоэффекта, открытое Герцем. Фотоэффект (photos - с греч. "свет") возникает в результате воздействия солнечного излучения на поверхностные слои полупроводника толщиной примерно 2-3 мкм, высвобождая при этом некоторое количество электронов. С появлением в теле полупроводника свободных электронов и при наличии разности электрических потенциалов в нем возникает электрический ток. Разность потенциалов образуется между облучаемой поверхностью полупроводника и его "теневой" стороной. Технически чистый кремний (концентрация примесей <1 к млрд.) (как и германий) является диэлектриком.
Удельное сопротивление чистого кремния 2500 Ом-м и разность потенциалов в нем возникнуть не может. Она появляется за счет внедрения в его поверхностные слои специальных добавок. При этом в зависимости от концентрации примесных добавок удельное сопротивление снижается до 1-10 Ом-м. Один вид добавок (донор) в виде тонкого слоя наносится на облучаемую поверхность; он образует дополнительные электроны и, следовательно, отрицательный заряд. Другая примесь (акцептор) наносится на теневую сторону. Акцептор способствует появлению дефицита электронов и, следовательно, положительного заряда Положительный и отрицательный заряд создают разность потенциалов. В роли донора электронов могут выступать атомы мышьяка или фосфора, в роли акцептора - атомы бора или брома. Для замыкания тока на внешнюю цепь используются два электрода. Отрицательный электрод выполняется в виде металлической сетки и накладывается на наружную сторону элемента, на внутреннюю сторону напыляется металл, который выполняет функцию положительного электрода.
Приборы, основанные на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами. Большинство фотоэлементов изготавливается из кремния. Кремниевые фотоэлементы с р-п-переходами впервые создали американские физики Пирсон и Фаулер в 1952 году. На практике КПД солнечных батарей составляет 10-15%.
Кремний - один из самых распространенных в природе элементов, однако чистый кремний, используемый для солнечных батарей, получить очень трудно. Еще совсем недавно цена такого кремния приближалась к цене чистого золота.
Существуют и германиевые фотоэлементы. Их показатели несколько ниже кремниевых и они не используются в солнечных элементах. Перспективным веществом для солнечных батарей является арсенид галлия. Он мог бы обеспечить более высокий КПД. Однако запасов галлия в природе в десятки тысяч раз менее, чем кремния и встает вопрос о себестоимости получения галлия.
При достигнутом КПД для получения большой выработки электроэнергии требуются большие площади под солнечные батареи. Однако сравнение площади, занимаемой водохранилищами гидроэлектростанций, и площади, необходимой для световых электростанций с той же годовой выработкой электроэнергии, показывает, что площадь солнечных батарей в южных районах будет в 80 раз меньше, чем площадь водохранилища Волжской ГЭС. Необходимо, правда, при этом заметить, что водохранилище более экологично, чем солнечные батареи.
Наибольшим недостатком солнечных батарей, препятствующим их широкому внедрению, является не низкий КПД а высокая себестоимость.
В настоящее время фотоэлектрическое преобразование используют в малых масштабах для специальных целей. Наиболее широкое распространение солнечные электрогенераторы нашли в космической технике.
Первыми космическими аппаратами, снабженными солнечными батареями были американский спутник "Авангард-1" (серия "Эксплорер"), запущенный в марте 1958 года, и третий советский спутник Земли, запущенный на орбиту в мае 1958 года. Свыше года на Луне работал наш "Луноход-1", питаемый от солнечных батарей.
Рассматриваются проекты и по крупномасштабному производству электроэнергии в космосе с последующей ее передачей на Землю. Необходимо заметить, что фотоэлементы в космосе будут работать значительно эффективнее, чем на Земле, так как излучение Солнца там не поглощается атмосферой и облаками (поток солнечной радиации выше в 1,5 раза, чем на поверхности Земли).
Рассмотрим суть одного из таких проектов.
Искусственный спутник Земли выводится на геосинхронную орбиту. Эта орбита удалена от Земли на 35840 км и характеризуется тем, что ее период обращения составляет ровно 24 часа. Предметы, расположенные на этой орбите как бы зависают над Землей. Кстати на этой орбите располагаются трансляционные спутники связи. Сюда удобно поместить и гелиоэлектростанции. На спутнике оборудуется солнечная батарея площадью 65 км2, вырабатывающая постоянный ток, который поступает на микроволновые генераторы, создающие поток энергии – электромагнитные волны с длиной волны 10 см. Выбор такой длины волны обусловлен тем, что такие электромагнитные волны почти не поглощаются атмосферой. С помощью антенны площадью 2,6 км2 поток энергии направляется на Землю к приемной антенне площадью 93 км2. Плотность энергии в пучке 0,38 Вт/см2. По оценкам с помощью такой установки можно получить мощность 10000 МВт, что достаточно для покрытия нужд Нью-Йорка и ряда его окрестностей. Себестоимость получаемой таким образом энергии довольно высока. Оценочный вес такой станции около 20тыс.т. Проект не реализован.
Другой вариант заключается в монтаже сборных панелей солнечных фотоэлектрических элементов в малонаселенных и малоиспользуемых пустынных районах Земли.
Для того чтобы полностью удовлетворить потребности стран, входивших в свое время в СССР, в энергии, нужен квадрат пустыни со стороной примерно 100 км. Коллекторы изготавливаются медными, стальными и алюминиевыми и снабжаются покрытием для уменьшения отражательной способности.
Электроэнергия от солнечных батарей в 100 раз дороже, чем поступающая с тепловых электростанций.
Если предварительно усилить солнечное излучение с помощью вогнутых зеркал, то получаемая мощность возрастет. Но фотоэлементы просто будут сгорать при таком интенсивном излечении. Даже для новых жаропрочных фотоэлектрических преобразователей требуется система для отвода тепла.
Самая крупная в мире гелиоустановка расположена в пустыне Мохаве (США). Здесь установлены 9 крупнейших в мире солнечных батарей и вырабатывается 92% мирового производства солнечной энергии. Мощность - 345 МВт.
Вам также могут быть интересны следующие материалы:
Комментарии:
На сайте
ВКонтакте