Солнечные батареи - энергия будущего

Энергетика и электротехника

Значительный интерес в связи с возможным энергетическим кризисом в последнее время вызывают регенеративные источники энергии. Одним из наиперспективнейших источников электроэнергии, по мнению авторов статьи, претендующему на объективность, является использовании энергии солнца.

Итак, часть излучаемой солнцем энергии может быть преобразована в электрическую энергию на поверхности земли. Для большей же части излучаемой солнцем энергии атмосфера становится непреодолимым препятствием. При этом можно выделить два "оптических окна": диапазон 0,3-5,0 микрометра (видимый свет характеризуется длиной волны 0,38-0,78 микрометра) и низкочастотную область 0,01-0,001 метра.

Ослабляющим фактором является диффузное отражение: всестороннее рассеивание солнечного излучения (иными словами изменение направления распространения излучения вследствие присутствующих в воздухе частиц воды и пыли). Различают релеевское рассеивание (рассеивание посредством частиц, которые значительно меньше длины волны света) и ми рассеивание (рассеивание посредством частиц, которые соизмеримы с длиной волны света или больше ее). Вторым ослабляющим фактором является избирательная адсорбция - определенная область спектра солнечного излучения адсорбируется озоном, оксидом углерода и парами воды и преобразуется в тепло.

Таким образом суммарное излучение складывается из прямого и диффузного (рассеяного) излучений. Расчетное среднее значение энергии, излучаемое солнцем за промежуток времени в один световой день составляет: Германия - 2,8 kWh, Испания - 4,65 kWh, Сахара - 6,85 kWh.

При этом различают внешний фотоэлектрический эффект (носители заряда покидают материал) и внутренний фотоэлектроический эффект (носители заряда приобретают повышенную подвижность - и как следствие возрастает проводимость материала).

Необходимыми предпосылками фотоэлектрического эффекта являются следующие факторы: свет должен адсорбироваться материалом солнечной батареи и высвобождать свободные носители заряда, которые внутри рабочего материала при этом должны разделяться полем.

Стоит упомянуть о истории развития технологии:

* 1839 - открытие фотогальванического эффекта;
* 1921 - объяснение эффекта Эйншейном (Нобелевская премия по физике 1923 год);
* 1954 - первая кремниевая солнечная батарея (Bell Laboratories, USA);
* 1966 - первая тонкослойная CdS/Cu2O солнечная батарея;
* 1974 - первая аморфная кремниевая батарея;
* 1983 - первая электростанция на основе солнечных батарей с мощностью более 1мегаватт;
* 1984 - США, электростанция на основе солнечных батарей мощностью 6,5 мегаватт;
* 1985 - первая солнечная батарея с коэффициентом полезного действия больше 20%;
* 1987 - первое серийное производство солнечных батарей в Европе;
* 1989 - солнечная батарея с коэффициентом полезного действия больше 30%;

Принципиальная структурная схема солнечной батареи представлена на рисунке. Напряжение на единичном кристалле кремния солнечной батареи составляет обычно около 0,5 вольт. Для генерирования большего напряжения используют соединенные между собой последовательно ячейки.

В тонкослойных ячейках (которые производятся путем нанесения тонкого слоя полупроводника на подложку) кроме кремния может быть использованы соединения галлия и арсенида (GaAs), кадмия и теллурида (CdTe) или меди, индия, серы и селена (СIS). В отдельную группу выделяют солнечные батареи, в которых адсорбцию излучения осуществляют красители (например рутений), а в качестве полупроводника выступает оксид титана. Принцип действия подобных солнечных батарей еще не до конца исследован, а изготовление связано с определенными технологическими трудностями.

Солнечные батареи на основе соединения галлия-арсенида отличаются высоким КПД и устойчивостью вольт-амперной характеристики к перепадам температуры, однако эта разновидность характеризуется относительно высокой ценой в связи с определенными трудностями, сопутствующими технологическому процессу. Кадмий-теллурид относительно дешев, но при этом отличается невысоким КПД (10%). Производство CIS кристаллов находится в стадии разработки.

Большинство современных видов применяемых солнечных батарей имеют КПД немногим больше 20%. Рекорд КПД для созданной в лабораторных условиях солнечной батареи составляет 24,7 %. Таким образом, грубо говоря, полезная мощность солнечной батареи может составлять 160 ватт на квадратный метр (для Центральной Европы). При этом следует также учитывать фактор старения: в среднем за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшаетя на 10%.

Преимуществами солнечных батарей являются: отсутствие потребности в топливе, отсутствие шума и эмиссии вредных веществ, отсутствие механического износа, требуют минимального обслуживания (низкие амортизационные отчисления), отсутствие промежуточных фаз преобразования энергии. Недостатками солнечных батарей является перманентная зависимость мощности от местных условий, времени суток и года, относительная дороговизна, маленький коэффициент полезного действия и чувствительность к механическим повреждениям.

Достаточно интересным примером использования технологии фотогальванического эффекта является использование солнечных батарей как основного источника энергии в нескольких авиа-проектах. Самым первым из них стал проект Pathfinder. Этот самолет, использующий в качестве приводных механизмов электрические двигатели, питаемые от солнечных батарей, был разработан еще в начале 1980 года в рамках секретной программы в США. Однако в те годы уровень развития техники был еще не настолько высок, чтобы обеспечить беспрерывный полет аппарата в течение нескольких суток - поэтому разработки были заморожены. Только лишь в 1994 году программа была возобновлена при участии NASA в рамках проекта ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology). Самолет имеет следующие технические характеристики: размах крыльев - 29,5м, длина - 3,6м, масса - 252 кг, полезная нагрузка - 45кг, скорость 27-32 км/ч, номинальная мощность солнечных батарей - 7,5kW. Позже велась разработка схожих проектов: Centurion, Icare II, Helios. Последний уже характеризуется мощностью установленных батарей 20кВатт и развивает скорость от 30 до 50 км/ч.

Говоря о энергетике будущего нельзя не сказать о тенденции развития рассматриваемых элементов. В ближайшее время следует ожидать дальнейшего увеличения КПД солнечных батарей. Наиболее перспективными рабочими материалами являются соединения кадмий-теллурида и меди-индия-селенида. С увеличением количества производимых серийно солнечных батарей вполне очевидна тендеция снижения цены.

Материал опубликован с разрешения администрации технического ресурса ITPuls.com. Ограниченная републикация возможна лишь в случае указания ссылки на ПЕРВОИСТОЧНИК.

Внимание!!! Ограниченная републикация ПРИВЕТСТВУЕТСЯ лишь в случае наличия абзаца выше с ссылкой. Комплектная перепечатка отдельных материалов допускается лишь с санкции администрации www.itpuls.com. В случае нарушения указанного выше условия администрация нашего ресурса предпримет все необходимые усилия для применения санкций к сайту-нарушителю со стороны поисковых систем (бана) и хостинговых компаний. Все материалы регулярно проверяются на наличие дубликатов в сети (http://www.copyscape.com/).

Источник: http://itpuls.com