ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Фотоэлектрические системы, работающие с сетью, равно как и автоном­ные фотоэлектрические системы, уже были рассмотрены в главе 6. Батареи из солнечных фотоэлектрических модулей могут быть расположены на открытом пространстве (как показано на рис. 18.35 - 18.37 и 18.53 - 18.56) или непосред­ственно встроены в архитектуру зданий (рис. 18.38 и 18.39).

Существуют также мобильные фотоэлектрические системы различных размеров и конфигураций для использования в отдаленных районах, не связан­ных с электрическими сетями. Научные экспедиции, кочующие пастухи, жите­ли отдаленных мест и т. д. используют эти системы. Большие системы такого типа, используемые в Антарктике, можно видеть на рис. 18.31. Небольшая сис­тема показана на рис. 18.32, а на рис. 18.34 - солнечная электростанция мощно­стью Рмакс= 20 кВт, установленная на Факультете математики и физики Карлова Университета в Праге (Faculty of Mathematics and Physics at Charles University, Prague). Схема большой многоцелевой фотоэлектрической системы приведена на рис. 16.1.

Экстренные телефоны-автоматы, расположенные вдоль шоссе, например во Франции, разработаны как автономные фотоэлектрические системы, не свя­занные с сетью. Стенд с фотоэлектрической панелью заряжает аккумулятор, размещенный на оранжевом стенде (рис. 18.84). Аккумулятор приводит экс­тренный телефон в действие, антенна для радиосвязи видна сверху. Подобный проект иногда используется для питания городских счетчиков времени на ав­томобильных стоянках.

Если автономная фотоэлектрическая система используется для обеспече­ния электроэнергией системы освещения, например в домах, не связанных с электрической сетью, желательно использовать энергоэффективные источники освещения.

Известно, что низкая эффективность стандартных ламп накаливания (ц и 3 %) отрицательно влияет на расход энергии. Значительная часть расхо­дуемой электроэнергии теряется как невидимая инфракрасная радиация и теп­лота (вследствие высокой температуры). Даже когда электрическая сеть до­ступна, владельцы или операторы многих зданий, где осветительная аппаратура включается на длительное время, переходят на использование энергосберегаю­щих флуоресцентных ламп с намного более высокой эффективностью (т| я 18%) и значительно большим временем жизни.

Последними инновационными достижениями в технологии освещения являются полупроводниковые источники света, использующие высокую яр­кость светодиодов (LED). Их эффективность может достигать 40%, что в 13 раз выше эффективности стандартных ламп накаливания, в 6 раз галогеновых ламп и в 2 раза самых эффективных флуоресцентных ламп. Эти источники света но­вого поколения делают возможным обеспечить значительную экономию элек­троэнергии в секторе освещения. Кроме того, их время жизни составляет, по крайней мере, 50 000 часов, что в 50 раз больше, чем время жизни стандартных ламп и в 8 раз больше, чем время жизни самых эффективных флуоресцентных ламп. Кроме того, светодиодные источники света разработаны в форме, удоб­ной для замены стандартных источников света. Они пригодны для исполь­зования во всех существующих системах электроснабжения, например для U - 12-S-24 В (постоянный ток - DC), или для U = 230 В (переменный ток - АС), а также с унифицированным цоколем для ввинчивания в существующие осве­тительные патроны.

Стандартные светодиоды испускают эффективно преимущественно мо­нохроматическое излучение, вырабатываемое в результате рекомбинации элек­тронов и дырок в области р-n перехода при прохождении через него электриче­ского тока. Длина волны испускаемой радиации определяется структурой рас­пределения энергетических уровней в используемом полупроводнике, и, преж­де всего энергетическим барьером, каким является ширина запрещенной зоны, и примесными уровнями. Элементарная теория полупроводников была кратко изложена в главе 7. Там был рассмотрен в общих чертах механизм генерации электрического тока в цепи, в которую включен диод, при попадании фотона на его поверхность. Таким образом, освещенный диод может стать источником энергии. Работа светодиодов может быть описана как обратный процесс. Элект­рический ток из внешнего источника вызывает эмиссию света вследствие реа­лизации рекомбинационных процессов электронов и дырок. Энергия (и поэто­му частота, см. главу 3) образованного фотона зависит от различия между энер­гетическими уровнями электрона до и после рекомбинации. Обычные свето­диоды могут быть красными, зелеными, желтыми, синими и ультрафиолетовы­ми. Среди самых новых типов полупроводниковых источников света можно отметить светодиоды, дающие белый свет, вследствие сложения нескольких цветов. Они основаны на диоде, испускающем фотоны в синем спектральном диапазоне, а линии спектра в зеленом, желтом и красном диапазонах добавля­ются с помощью люминофоров. Люминофоры в состоянии поглощать фотоны более высокой энергии и затем излучать электроны с более низкой энергией и, таким образом, с большей длиной волны. Спектры эмиссии нескольких диодов показаны на рис. 16.2.

В спектре белого света индивидуальные спектральные линии смешива­ются, потому что применяемый фотометр использовался с относительно длин­ным шагом.

Угловое распределение излучения определяется формой компаунда, от­литого в направлении испускаемой радиации. Изготовитель устанавливает яр­кость диода в 10 свечей для диодов желтого цвета. Рассчитанная световая эф­фективность - приблизительно 160 лм/ Вт. Известные производители утверж­дают, что световая эффективность стандартных ламп накаливания 10 лм/Вт, 20 лм/Вт для вольфрамово-галогеновых ламп и 60-100 лм/Вт для разрядных ламп. Очевидно, что эти значения соответствуют эффективности преобразова­ния электрической энергии в световую для желтых диодов. Примеры некото­рых из вышеупомянутых источников света, основанных на светодиодах, пока­заны на рис. 18.78, 18.79. Можно заметить, что существуют различные модифи­кации светодиодов в зависимости от намеченного применения, с различными напряжениями подводимой электроэнергии и различными цоколями (например, с нитью Е27, с штифтовым цоколем типа BA 15s или типа BA 15D для ис­пользования в качестве стоп-сигнала или указателей поворота для автомобилей [40, 41]). Кроме того, светодиоды белого цвета все чаще используются для ав­томобильных фар и в ближайшее время могут даже заменить весьма эффектив­ные ксеноновые лампы.

Подобные источники для уличного освещения уже были разработаны. Их преимущество состоит в том, что они могут быть включены безаварийно при любой температуре, в них проблема холодного старта устранена.

■

Мы протестировали эти источники света с автономной, не связанной с се­тью фотоэлектрической системой в лаборатории Чешского сельскохозяйствен­ного университета [39]. Рисунок 18.80 демонстрирует источник света, вклю­чающий 100 желтых светодиодов и с полной подводимой мощностью Р = 6 Вт, с питанием от электрических аккумуляторов, которые заряжаются от фотоэлектрических модулей. На рис. 18.82 показан пример уличного освещения с энергосберегающими натриевыми лампами низкого давления. Панель заряжа­ет аккумуляторы в течение дня, а лампы работают в течение ночи. Светофор в Шанхае (Китай) с экономичными светодиодами, показанный на рис. 18.83, ра­ботает на таком же принципе.

Современные высокоэффективные источники света находят все более широкое применение. Естественно, они имеют разные спектральные характери­стики излучения. Совершенно очевидно, что как по мощности светового пото­ка, так и по его спектральному составу излучение этих источников может су­щественно отличаться от спектра стандартного солнечного излучения. Эти раз­личия могут существенно влиять на самочувствие людей и животных, в том числе на производительность труда, создавать дискомфорт. Поэтому, применяя такие источники света, совсем не лишним будет точно знать их спектральные характеристики и постоянно оценивать то, в какой степени спектр этих искус­ственных источников света соответствует спектру солнечного света, которым мы постоянно пользуемся. Напомним, что под стандартным наземным солнеч­ным излучением AM 1,5 следует понимать световой поток мощностью 1000 Вт/м2, спектральный состав которого директивно утвержден Международной энергетической комиссией (МЭК) и отражен в [138, 139].

Знание этих отличий является также актуальной проблемой в области метрологии характеристик фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в про­цессе их изготовления и эксплуатации.

Нами [137] была поставлена и решена задача по выработке алгоритма и разработке методологии проведения таких оценок для любых, в особенности впервые используемых, источников света. Решение поставленной задачи осно­вывалось на сопоставлении спектрограмм токовых фотооткликов кремниевого фотопреобразователя, предварительно тарированного в условиях стандартного солнечного излучения, с результатами выполненных затем экспериментальных измерений его параметра под воздействием исследуемого источника посредст­вом использования нескольких (более 10) светофильтров, полосы пропускания которых равномерно распределены в диапазоне длин волн поглощения полу­проводникового материала ФЭП (кремния).

На рис. 16.3 схематично представлены сопоставляемые спектрограммы фотооткликов одного и того же виртуального фотопреобразователя. Одна спек­трограмма построена по результатам тарировки фотопреобразователя в условиях

Рис. 16.4. Фотоотклики фотопреобразователя (Si)
от различных типов источников света (кривая 2) на фоне фотооткликов
от стандартного СИАМ 1,5 (кривая 1)

стандартного солнечного излучения (кривая 1). Вторая (кривая 2) нормирована для исследуемого источника света. За критерий количественной оценки степени спектрального соответствия исследуемого источника света параметрам солнеч­ного излучения для AM 1,5 выбиралось отношение области, общей для обеих спектрограмм (заштрихована), к полной области (площади) спектрограммы, со­ответствующей стандартному солнечному излучению (площадь под кривой 1).

Площади, охватываемые обеими спектрограммами, равновелики.

Не останавливаясь на деталях разработанного подхода, отметим только, что с использованием разработанного алгоритма были получены данные о сте­пени соответствия спектра нескольких искусственных источников тока спек­тральному составу стандартного солнечного излучения (рис. 16.4).

Представленные данные показывают, что искусственные источники света разной природы и разных конструкций значительно отличаются по своим спек­тральным параметрам и при их выборе для использования не следует забывать и о такой их характеристике, как степень соответствия спектру солнечного излучения.

Работающие на солнечной энергии автомобили (рис. 18.88) до настояще­го времени все еще относительная редкость, но то же самое можно было ска­зать относительно первых автомобилей во времена конных экипажей. Между­народные гонки с гелиоприводными автомобилями проводятся регулярно, наи­большая из них - трансконтинентальная гонка в Австралии. В этих гонках сол­нечноприводные автомобили-победители достигают средней скорости 90 км/час. Группа энтузиастов участвовала в проектировании солнечноприводного автомобиля в Чешской республике, на факультете транспорта Чешского Техни­ческого Университета [38]. Они приняли участие в нескольких международных гонках в Австрии, завоевав второе место в 1998 г.

Солнечная энергия может также использоваться для производства водо­рода электролизом воды, который может быть применен для энергоснабжения автомобиля. После испытания экспериментальных моделей в США началось массовое производство автомобилей с водородом в качестве топлива. Некото­рые шоссе были уже оборудованы необходимыми заправочными станциями. В недалеком будущем можно ожидать появления мобильных сельскохозяйст­венных машин или судов, приводимых в действие топливными элементами или двигателями внутреннего сгорания на основе жидкого водорода в качестве топ­лива (и таким образом также использующих солнечную энергию).

Солнечные насосные системы широко распространены. Они могут ис­пользоваться для того, чтобы накачать питьевую воду из колодца или, напри­мер, воду для ирригации в сельском хозяйстве, Чем больше светит Солнце, чем суше становится почва, тем больше она требует воды для полива. Но чем боль­ше солнечное сияние, тем больше воды можно накачать для поддержания ба­ланса с ее помощью. Рост объема накачанной воды больше, чем рост выработки энергии, когда используется солнечная система со слежением, вместо стацио­нарного стенда. Это имеет место вследствие того, что в течение большей части дня насос работает выше его порогового уровня. Насосная система, приводимая в действие Солнцем, с солнечными панелями на стенде со слежением, таким образом, находится среди самых эффективных применений фотоэлектрических систем.

Схема солнечной насосной системы представлена на рис. 16.5. Реальная на­сосная система с автоматическими стендами слежения TRAXLE™ и макси­мальной мощностью Р = 3 кВт представлена на рис. 18.51. На рис. 18.86 пока­зана солнечная насосная система GRUNDFOS, демонстрировавшаяся на Шан­хайской выставке в 2005 г.

В литературе указывается, что приблизительно 6000 человек, главным образом дети, умирают каждый день в Африке от питья бактериологически за­грязненной воды. В некоторых странах были предприняты попытки использо­вать солнечную энергию для стерилизации воды жестким ультрафиолетовым излучением. Устройство под названием NAIADE, представленное голландской компанией Nedap на Парижской выставке в 2004 г., показано на рис. 18.87.

Солнечный фотоэлектрический модуль заряжает аккумулятор, помещен­ный в основании устройства. Этот аккумулятор питает ртутную лампу низкого

крышка электрический провод предохранительный

стояк

статический уровень

©осадочная труба насос

Рис. 16.5. Схема солнечной насосной системы

давления, которая дает ультрафиолетовое излучение мощностью 20 Вт, глав­ным образом в ультрафиолетовом диапазоне с типичной ртутной спектраль­ной линией длины волны Л = 253,7 нм. Лампа установлена в водонепрони­цаемом объеме, покрытом кварцем, который прозрачен по отношению к ультрафиолетовой радиации. Воду из источника льют в контейнер через верхнее входное отверстие, пропустив через фильтр, для удаления примес­ных макрочастиц. Сила тяжести проталкивает воду через трубу к выходу в основании контейнера над покрытой кварцем лампой. Жесткая ультрафиоле­товая радиация убивает бактерии. Объем контейнера составляет 100 литров, ежедневная производительность устройства целых 2000 литров стерилизо­ванной воды в солнечный день. Этого достаточно, чтобы обеспечить водой 400 человек. Вес пустого устройства составляет 44 кг, его можно легко транспортировать.

Применение солнечных технологий в космосе, особенно для создания ор­битальных энергетических станций, в настоящее время уже не представляется научной фантастикой. Методы надежного и безопасного транспорта энергии к Земле пока еще не разработаны, хотя большой объем исследований в этом на­правлении выполняется в ряде научных учреждений. Сегодня фотоэлектриче­ские панели уже работают на спутниках и космических кораблях, запущенных на орбиты, близкие к Солнцу, обеспечивая их энергией. В этих условиях Солн­це - самый эффективный источник энергии.

На орбитах, отдаленных от Солнца, интенсивность солнечного излучения слишком низкая, поэтому эти спутники вынуждены нести с собой радиоактив­ные материалы для нагрева термоэлектрических батарей, использующих тепло­вую энергию, высвобождаемую в процессе радиоактивных преобразований. Международную Космическую станцию ISS, на которой видны солнечные па­нели, можно видеть на рис. 18.89.

Солнечные модули, расположенные на Луне для обеспечения энерго­снабжения научных инструментов во время реализации Программы «Аполлон», показаны на рис. 16.6.

Кроме производства электрической энергии существует много других возможностей использования солнечного излучения. Поскольку эта книга спе­циализируется на фотоэлектричестве, мы упоминаем их только мимоходом.

Существует множество публикаций, относящихся к тепловому использо­ванию солнечной энергии, такому как солнечное отопление или приготовление горячей воды. Комбинированную фото-тепловую систему для нагрева воды, в которой используется насос, питаемый от фотоэлектрической панели, пред­ставленную на Шанхайской выставке 2005 г., можно видеть на рис. 18.85.