Классификация солнечных энергетических установок, процессы преобразования

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

• — по виду преобразования солнечной? энергии в другие виды энергии — тепло или электричество;
• — по концентрированию энергии — с концентраторами и без концентраторов;
• — по технической? сложности — простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.

Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида.

Первыи? базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанции?.

К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.

Второи? подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок.

В настоящее время в мире и в России наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок:

• — солнечные коллекторы;?
• — солнечные фотоэлектрические преобразователи.

Далее рассмотрим основные физические принципы и основы преобразования солнечнои? энергии, а также способы, схемы и конкретные установки, преобразующие энергию Солнца.

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этои? энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2−3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечныи? свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральныи? состав солнечного излучения, доходящего до земнои? поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевои? воздушнои? массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC=1360 Вт/м2.

Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земнои? поверхности в любои? момент дня определяется по формуле.

AM (x)= ,.

где x — атмосферное давление, Па;?

x0- нормальное атмосферное давление (1,013· 105Па);

и — угол высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее характернои? в земных условиях является величина АМ 1,5 (и? 42°). Она принята за стандартную при интегральнои? поверхностнои? плотности солнечного излучения EC= 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследовании? различных солнечных элементов.

На рис. 1 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучеи? на приемную площадку.

Рисунок 1 — Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения: 1- внеатмосферное излучение (АМ 0); 2 — наземное стандартизованное излучение (АМ 1,5); 3 — спектр излучения абсолютно черного тела при?TC=5800К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длинои? волны л определяется из соотношения:

hv= h= ,.

где h — постоянная Планка, 6,62 6196(50)· 10−34 Дж· с;

c — скорость света, 2,997 9250(10)· 108 м/с;

л — длина волны, мкм.

Электронвольт — работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ =1,6· 10−19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которои? фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с ширинои? запрещеннои? зоны Eg

лг = 1,24/ Eg.

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона — характеризуется отсутствием энергетических уровнеи?, различна по ширине для разных материалов.

Простеи?шая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малои? глубине от поверхности кремниевои? пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошнои? металлическии? контакт.

Рисунок 2 — Конструкция простеишего солнечного элемента Производство структур на основе монокристаллического кремния — процесс технологически сложныи? и дорогостоящии?. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (aSi:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфныи? кремнии? выступил в качестве более дешевои? альтернативы монокристаллическому. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщинои? 0,5−1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек.

Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большои? площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальныи? КПД экспериментальных элементов на основе аSi: Н — 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка — 16%.