ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В последние годы во всем мире все большее внимание уделяется фотоэлектрическим преобразователям (ФЭП). Солнечные комбинированные фотоэлектрические станции весьма перспективны и в нашей стране.

Солнечные установки для производства электроэнергии реализуются в двух вариантах: в виде солнечно-тепловых электростанций (СТЭС) и на основе использования фотоэ­лементов, осуществляющих прямое преобразование сол­нечной энергии в электрическую.

Группы фотоэлементов с системами управления образу­ют солнечные фотоэлектрические станции (СФЭС). Работа СТЭС осуществляется при наличии прямого солнечного света, работа СФЭС возможна и при рассеянном солнечном свете (наличие облачности).

При реализации проекта СТЭС превращение воды в пар происходит в котле-концентраторе, откуда пар поступает в паровую турбину, вращающую электрогенератор. Для нагрева котла-концентратора энергией солнца последний располагается на башне высотой до 100 м, площадь под которой покрывается тысячами зеркал-гелиостатов, отра­женный свет которых направляется на котел-концентратор. В результате конструкция СТЭС получается чрезвычайно громоздкой, так как каждое зеркало-гелиостат имеет ин­дивидуальную систему управления, отслеживающую дви­жение солнца по небосводу. Реальная СТЭС мощностью 5 МВт занимает площадь 44 га, имеет КПД 14 % и при еже­годной работе в течение 1900 ч вырабатывает 730 МВт*ч электроэнергии. Эти параметры СТЭС соответствуют мощ­ности ТЭС 1 МВт, но СТЭС многократно превосходят ТЭС по стоимости. К недостаткам фотоэлементов относят их низкий КПД (12-14 %) и высокую стоимость.

Однако в последнее время, помимо полупроводниковых материалов на базе кремния и германия, стали использо­вать полупроводники - арсенид галлия и антимонит гал­лия. Фотоэлементы с этими полупроводниками выполня­ют двухслойными. В наружном, арсенидогаллиевом слое в электричество преобразуется видимая часть солнечного излучения, во внутреннем, антимонитогаллиевом слое в электричество преобразуется инфракрасная часть свето­вого излучения. КПД таких фотоэлементов достигает 35­37%, что существенно расширит возможности использова­ния СФЭС, особенно в автономных системах (например в космосе). Сооружение СФЭС значительной мощности удо­рожается из-за необходимости сооружения дорогостоящих металлических конструкций на больших территориях. Так, сооружение СФЭС мощностью 1 ГВт потребовало бы установки несущих конструкций на площади 100 га. Кро­ме того, СФЭС эффективно работают при чистой поверхно­сти фотоэлементов, поэтому их необходимо периодически очищать от пыли и грязи, что при площади в 100 га пред­ставляло бы значительные технические трудности.

Поэтому в Европейских странах (Швейцария, Герма­ния) нашли применение СФЭС для индивидуальных по­требителей, устанавливающиеся на крышах домов и кот­теджей. Площадь таких СФЭС составляет в среднем около 30 м2, что дает достаточную выработку электроэнергии и позволяет очищать поверхность СФЭС силами потребителя. Надежность и бесперебойность электроснабжения достига­ется согласованной работой СФЭС с электрической сетью, куда передаются излишки электроэнергии в дневное время и откуда получается электроэнергия, когда СФЭС не рабо­тает (рис. 1.44).

Основным препятствием на пути коммерчески выгод­ного широкого использования ФЭП является, в первую очередь, высокая стоимость применяемых полупроводни­ковых материалов. Поэтому вполне обосновано стремле­ние создать экономически эффективные, экологически безопасные технологии производства дешевых фотоэлек­трических преобразователей. Необходимо подчеркнуть, что в Российской Академии наук и Российской Академии сельскохозяйственных наук проведены фундаментальные исследования в области оптики, термодинамики, теплофи­зики и электродинамики, поэтому перспективы создания и развития солнечных фотоэлектростанций в нашей стране весьма велики.

Кристаллический кремний занимает доминирующее место в производстве ФЭП. Основное сырье для производ-

ства кремния - оксид кремния в виде кварцевого песка. Русские кварциты являются самыми чистыми в мире. Их залежи достаточны, чтобы обеспечить сырьем солнечные фотоэлектрические станции мощностью более 1000 ГВ.

Содержание кремния в земной коре составляет 8-Ю18 т. Цена кремния степени очистки 99,99 % равна стоимости урана, используемого в реакторах атомных электростан­ций, хотя содержание кремния в земной коре в 104 раз превышает содержание урана. Их одинаковая стоимость объясняется тем, что на развитие технологии производ­ства уранового топлива были инвестированы миллиарды долларов.

Следует отметить следующие пути повышения произ­водства фотоэлектрических станций в нашей стране [77].

Это, прежде всего, комплексные инвестиционные про­екты, рассчитанные на несколько лет [78].

Другим важным мероприятием является использова­ние фотоэлектрических установок с концентраторами сол­нечного излучения. Модули нового типа с концентратора­ми в виде призмы или световода имеют ряд преимуществ: компактная конструкция (350x50 мм); надежная защита солнечного элемента; отсутствие необходимости примене­ния специальной системы охлаждения солнечного элемен­та, так как они охлаждаются жидкостью, заполняющей корпус концентратора, и одновременно являются подводя­щей средой световода.

Перспективным является разработанная в ВИЭСХ тех­нология, использующая принципы неизображающей опти­ки. Это позволяет создать стационарные концентраторы для двухсторонних фотоэлектрических преобразователей. Такие ФЭП существенно экономичнее по сравнению с сол­нечными модулями традиционной плоской конструкции.

Разработанные в ВИЭСХ системы эффективно исполь­зуют рассеянный свет, не требуют дорогостоящих систем слежения за солнцем, отличаются низкой стоимостью об­служивания. Кроме того, в ВИЭСХ разработана новая эф­фективная система герметизации солнечных модулей, не требующая использования органических материалов. Суть ее в том, что свободное пространство внутри стеклопакета заполняется специальной жидкостью с оптимальным соче­танием оптических и тепловых параметров.

Электростанция, использующая ФЭП, конструктивно собирается из герметизированных под стеклом стационар­ных концентраторных солнечных модулей размером 1x2 м, установленных на общей раме с наклоном на юг под углом 30...50°. Годовая выработка теплоты одним модулем со­ставляет 200 кВт ч при КПД оптической системы 60 % или производственной теплоты в виде горячей воды или тепло­го воздуха, что эквивалентно 100 т у. т. в год.

Реализация Национального проекта, направленного на обеспечение солнечных технологий, конкурентоспособных традиционным энергетическим технологиям [51], будет со­действовать развитию солнечной энергетики в стране, что сыграет существенную роль, в частности, в энергоснабже­нии сельских потребителей.