ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

РАЗВИТИЕ РАБОТ ПО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСТВУ.. ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС

Фотоэлектричество как отрасль науки имеет долгую историю. Еще в 1839 г. французский физик А. Е. Беккерель, работая с электролитами, обнаружил фото­электрический эффект. В 1873 г. В. Смит обратил внимание на тот факт, что се­лен проявляет фотопроводящие свойства. Позднее, примерно через 14 лет, ра­ботая с открытым резонатором, Генрих Герц наблюдал интересную закономер­ность. Он заметил, что если на цинковые разрядники направить поток ультра­фиолетового излучения, то прохождение искры облегчается. Позднее было по­казано, что энергия вылетающего с поверхности электрона строго зависит от частоты поступающего излучения, в то время как от интенсивности облучения не зависит. Это противоречило положениям господствующей в то время клас­сической электродинамики.

Позднее фотоэффект детально изучал русский физик А. Столетов, кото­рый в результате сделал несколько интересных открытий и сформулировал первый закон внешнего фотоэффекта. Однако первый фотоэлемент был создан только в 1883 году Чарльзом Фриттсом на селене, покрытом тонким слоем зо­лота. КПД такого фотоэлемента не превышал 1%.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) принято называть испускание электронов веществом под воздействием света. Электроны, выле­тающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а образуемый ими электрический ток называется фототоком.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты (или длины вол­ны света) называют спектральной характеристикой фотокатода.

Схематически внешний фотоэффект изображен на рис. 2.1.

image021©

В результате многолетних исследований были сформулированы основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе света, па­дающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энерге­тической освещенности катода (иначе — число фотоэлектронов, выби­ваемых из катода за 1 секунду, прямо пропорционально интенсивности света).

2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлек­тронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света v„, при которой фотоэффект еще на­блюдается.

4. Фотоэффект безынерционен. С начала облучения металла светом до начала вылета фотоэлектронов проходит время t < 10'9с.

Объяснить фотоэффект удалось Альберту Эйнштейну в 1905 г. на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. Именно за это открытие, а вовсе не за создание теории относительности, в 1921 г. он был удостоен Нобе­левской премии. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза. Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, а Эйнштейн пошел дальше — он предположил, что свет и существует только в ви­де этих квантованных порций.

Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц - фотонов следует, что

image022hv^Aout

где Аои1 - так называемая работа выхода (минимальная энергия, необходимая

/иг2

для удаления электрона из вещества); —---------- кинетическая энергия вылетающе­

го электрона; v— частота падающего фотона с энергией Лг; И - постоянная Планка.

Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона бу­дет недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла.

Смысл формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества, т. е. на работу, которую необходимо совершить для того, чтобы «вырвать» электрон, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

Исследования фотоэффекта были одними из первых квантово-механи­ческих исследований. Благодаря этим исследованиям было получено экспери­ментальное подтверждение, что свет помимо волновых свойств обладает и кор­пускулярными свойствами.

Таким образом, квантовая теория света полностью объясняет явление внешнего фотоэффекта.

Однако различают два вида фотоэффекта:

1) внешний (о котором мы только что говорили) - вырывание электронов из поверхности твердого тела под действием света;

2) внутренний — изменение электропроводимости полупроводников и ди­электриков под действием света.

Термин «фотоэлектрический» происходит от греческого «фотос», что означает «свет», и «вольтовый», то есть электрический, по имени итальян­ского физика А. Вольта, в честь которого называется единица электродви­жущей силы - вольт. Термин «фотоэлектрический» используется в англий­ском языке с 1849 г.

Именно внутренний фотоэффект, а точнее процесс разделения генери­руемых квантами света электронно-дырочных пар на р-р переходе, лежит в ос­нове процесса генерации электрического тока в фотоэлементах.

Современный фотоэлемент запатентовал Russell Ohl (Рассел Оль) (U. S. Patent 2,402,662 «Light sensitive device»). Оль запатентовал современное уст­ройство полупроводникового солнечного элемента. Однако еще раньше Свен Асон Верглунд (Sven Ason Berglund) предложил метод повышения чувстви­тельности фотоэлемента.

Современная история фотоэнергетики исчисляется с 1954 г., когда со­трудники лаборатории компании Bell случайно обнаружили, что кремний, ле­гированный некоторыми примесями, имеет чрезвычайно высокую фоточувст­вительность. Это привело к созданию первого практического фотоэлемента. В 1954 г. американцы Пирсон, Фуллер и Чаплин запатентовали первый фотоэле­мент с вполне приемлемым (порядка 6%) КПД.

В СССР первые работы по созданию фотоэлектрических преобразователей проводились в Физико-техническом институте Академии Наук (г. Ленинград). Руководил этими работами знаменитый академик А. Ф. Иоффе.

В 1938 г. два его аспиранта (Юрий Маслоковец и Борис Коломиец) созда­ли первый фотоэлемент. КПД получаемых тогда сернисто-таллиевых элементов не превышал 1 %. Однако академик А. Ф. Иоффе, бессменный руководитель ин­ститута, ученик знаменитого Рентгена, сразу же осознал значение полученных результатов. Уже тогда он предложил разработать государственную программу по «выстиланию» такими фотоэлементами крыш зданий. Тогда это предложе­ние смотрелось как утопия и поддержки не получило. Однако сегодня мы знаем об успешной реализации в разных странах проектов под названием «1000 сол­нечных крыш» (Германия), «70 000 солнечных крыш» (Япония), «Миллион крыш» (США) и т. д.

Позднее работы по разработке и выпуску фотоэлектрических преобразо­вателей в СССР получили интенсивное развитие во Всесоюзном научно­исследовательском институте источников тока (ВНИИТ, г. Москва), который обеспечивал решение задачи по обеспечению энергией всех космических объ­ектов, запускаемых в Советском Союзе.

Здесь необходимо отметить огромную роль в развитии этого направления науки и техники в СССР Николая Степановича Лидоренко, доктора техниче­ских наук, профессора, члена-корреспондента Академии Наук СССР (впослед­ствии Российской Академии Наук, РАН). Его имя неразрывно связано с разви­тием советской космической фотоэнергетики, равно как и с развитием ВНИИТа, позднее переименованного в НПО «Квант», где он работал с 1950 по 1986 год в должности Генерального директора и Главного конструктора.

В 1958 г. солнечные батареи на кремниевых фотоэлементах впервые были установлены на третьем советском спутнике (а также и на американском спут­нике «Авангард»). С тех пор солнечные элементы стали основным источником энергии на всех космических аппаратах на околоземной орбите.

До последних дней Н. С. Лидоренко был активен, продолжал сотрудниче­ство с многочисленным отрядом своих учеников и сподвижников. Оказывал поддержку молодым ученым, работающим в самых разных организациях. На рис. 18.135 Н. С. Лидоренко с группой сотрудников во время его визита во Все­российский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

В 1970 г. в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе коллективом сотрудников под руководством Жореса Ивановича Алферова был создан фото­элемент на основе арсенида галлия, который имел высокий КПД. Здесь под ру­ководством Ж. И. Алферова сформировался коллектив талантливых ученых, плодотворно работающих в области получения и исследования полупроводни­ковых многослойных гетероструктур (рис. 18.136). В дальнейшем Ж. И. Алфе­ровым, академиком РАН, лауреатом Нобелевской премии, была создана науч­ная школа и сформировано новое направление, связанное с созданием теории и практики получения, исследования и применения в различных отраслях науки и техники многослойных, так называемых «каскадных» структур на основе со­единений АшВу. Эти устройства нашли широкое применение в различных от­раслях науки и техники. Одна из таких отраслей - фотоэнергетика, где эти структуры открывают широкие возможности для существенного повышения КПД фотоэлементов за счет более полного использования всего спектра сол­нечного излучения и повышения эффективности работы солнечных элементов при использовании концентрированного солнечного излучения (за счет концен­траторов солнечной радиации).

Во ВНИИТе в 1967-1969 гг. были разработаны первые в мире солнечные фотоэлектрические установки с фацетными концентраторами, которые исполь­зовались для электроснабжения автономных объектов в Армении (рис. 18.150) и в Туркменистане (рис. 18.151).

В 1975 г. во ВНИИТе был создан отдел наземной солнечной энергетики, которым в течение 12 лет руководил Заместитель Главного конструктора ВНИИТа Д. С. Стребков. За эти годы были разработаны и внедрены сотни сол­нечных фотоэлектрических установок для автономного электроснабжения реч­ных буев и морских маяков, водоподъемных установок, сейсмических станций, специальных потребителей. На рис. 18.152 и 18.153 представлена солнечная фотоэлектрическая водоподъемная установка электрической мощностью 650 Вт с системой слежения за Солнцем в пустыне Кара-Кумы (Туркменистан, 1985 г).

В 1986 г. в Туркменской базовой лаборатории ВНИИТа в г. Ашхабаде была запущена в эксплуатацию солнечная фотоэлектрическая станция с пара­болоцилиндрическим концентратором (рис. 18.154 и 18.155) электрической мощностью 10 кВт, работающей на энергосистему.

В США первый эффективный солнечный элемент с КПД 17% был произ­веден в промышленных количествах в 1988 г. корпорацией Applied Solar Energy Corporation (ASEC).

К середине 70-х годов КПД солнечных элементов на кремнии во всем ми­ре и в СССР, в частности, достиг величины порядка 10%. Далее в течение дли­тельного периода этот показатель оставался на том же уровне. Для использова­ния в космических аппаратах такой уровень эффективности преобразования солнечного излучения рассматривался как достаточный.

Серьезным стимулом для развития фотоэнергетики во всем мире послу­жили два мировых энергетических кризиса. В этот период работы по солнечной фотоэнергетике были вновь интенсифицированы, а акцент в этих работах был сделан на повышение эффективности солнечных элементов на кремнии, одном из самых распространенных в природе элементов и наиболее представленном на рынке сырьем.

Советский Союз в этот период не испытывал серьезных проблем с энер­горесурсами, в частности, с нефтью и природным газом. Это и стало причиной того, что работы по фотоэлектрическим преобразователям в СССР должного развития не получили. Сведения о сформировавшихся на этот период организа­циях, вовлеченных в разработку и производство солнечных элементов или мо­дулей, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Разработчики и производители солнечных элементов, фотоэлектрических модулей (ФМ) и станций (ФЭС)

Организация/

Предприятие

Год

образования

Номенклатура

продукции

Место­

нахождение

Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ)

1930

ФМ мощностью 27-33 Вт и ФЭС бытового назначе­ния

г. Москва

АО ВИЭН (при ВИЭСХ)

г. Москва

Научно-производственное предприятие «Квант»

ФМ мощностью 11; 22; 33; 44; 50; 66; 80; 110 Вт; универ­сальные ФЭС

г. Москва

НПФ «Кварк»

ФМ мощностью от 3 до 60 Вт

г. Краснодар

ФГУП «НИИПП»

1964

ФМ мощностью от 0,3 до 200 Вт

г. Томск

Организация/

Предприятие

Год

образования

Номенклатура

продукции

Место­

нахождение

ЗАО «ОКБ завода "Красное Знамя"»

1984

ФМ мощностью 10; 15; 25; 30; 33; 35; 40; 45; 50; 55; 60 Вт

г. Рязань

АООТ Правдинский опытный завод источников тока «Позит»

ФМ без каркаса и с каркасом мощ­ностью 4,5; 5; 8; 9; 10 Вт; ФЭС

Московская обл., п. Правдинский

ОАО «Рязанский Завод

Металлокерамических

приборов»

1963

ФМ мощностью от 8 до 55 Вт

г. Рязань

ООО «Солнечный ветер»

1992

ФЭС бытового назначения от 3 до 200 Вт

г. Краснодар

ООО «СОВЛАКС»

1991

Жесткие ФМ на основе амфорно - го кремния мощ­ностью 12,5 и 20 Вт; ФМ для крыш зданий на амфор - ном кремнии мощ­ностью 20 и 80 Вт

г. Москва

ОАО «Сатурн»

ФМ мощностью 10-25 и 55 Вт,

ЭС мощностью 10-100-200 и 500 Вт,

ФЭС универсаль­ные мощностью от 0,06 до 10 кВт

г. Краснодар

НПФ «Санэнеджи»

8 видов ФЭС

г. Москва

ЗАО «Телеком - СТВ»

1991

ФМ мощностью 5(7); 10(12); 20; 22; 25; 30; 33; 35; 40; 45; 50; 53 Вт

г. Москва, Зеленоград

ФТИ им. А. Ф. Иоффе

1918

Солнечные

элементы

г. С.-Петербург

АО «Элма»

ФМ мощностью 5-7-10-12-30-33-35­40-45-50 Вт

г. Москва

Источник: http://ecoclub.nsu. ru/allenergy/common/table2.htm 30

В этот период рост объемов производства продукции на этих предприя­тиях и в этих организациях сдерживался, главным образом, практически пол­ным отсутствием потребителей на рынке. Цены на производимую продукцию были достаточно высоки, а низкие тарифы на традиционные энергоносители не способствовали росту спроса на солнечные элементы и модули. Более того, платежеспособность населения и юридических лиц оставалась низкой.

В начале 1990-х годов, несмотря на значительные достижения российской науки и техники в области фотоэлектричества, это направление вовсе перестало получать финансовую поддержку от государства. Вследствие этого завоеван­ные в предыдущие годы позиции стали теряться. Это касается в первую оче­редь наземной фотоэнергетики, в области которой в период двух энергетиче­ских кризисов зарубежные компании развили интенсивную деятельность и ста­ли бить рекорды как по технико-экономическим показателям, так и по объемам производства изделий фотоэлектричества.

Только благодаря усилиям отдельных энтузиастов работы по фотоэле­ментам в России не только не заглохли, но и получили определенное развитие. Именно благодаря их активности в настоящее время в России существует ряд вполне современных предприятий по производству солнечных элементов и мо­дулей, продукция которых пользуется спросом на рынке, в том числе, со сторо­ны зарубежных потребителей. Более того, именно в России был выполнен ком­плекс исследований, позволивших создать солнечные элементы на основе кремния нового типа (например, матричные солнечные элементы) и фотоэлект­рические модули с удвоенным по сравнению со стандартным сроком службы, которые будут рассмотрены в последующих главах книги.

Ко второй половине 1990-х годов прошлого столетия фотоэлектричество стало самостоятельной и перспективной отраслью промышленности. В связи с этим Россия, несмотря на некоторые научные достижения в недалеком про­шлом, стала терять свои лидирующие позиции. Возникла необходимость заку­пать за рубежом не только оборудование для фотоэнергетики, но и технологии производства фотоэлектрических элементов и модулей.

Для решения этой проблемы в 1996 г. Министерством науки и тех­нологий РФ в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограммы «Экологически чистая энергетика» был начат проект «Создание высокоэффективных кремниевых фо­топреобразователей и модулей с удельными параметрами более 160 Вт/м2 и 140 Вт/м2 соответственно и развертывание их опытно-промышленного произ­водства с объемом 300 кВт/год». Головным предприятием по проекту была оп­ределена научно-производственная фирма «Кварк» (г. Краснодар). В 1998 г. проект был завершен. Была разработана оригинальная технология изготовления солнечных элементов и модулей с КПД до 16%.

Следует отметить, что даже в трудные годы отсутствия государственной поддержки благодаря активности энтузиастов появились предприятия, способ­ные воспринять для внедрения новые технологии производства фотоэлектриче-

ской продукции. Поэтому технология, разработанная в опытно-промышленном масштабе, была внедрена в производство на фирме «Солнечный ветер» (г. Краснодар). Характеристики выпускаемой продукции соответствовали луч­шим мировым образцам. Одновременно эта технологии была внедрена и на производственной базе ЗАО «ОКБ завода «Красное знамя» (г. Рязань).

Д. С. Стребковым была предложена таблица ключевых достижений в об­ласти фотоэнергетики [63] (таблица 2.2).

Таблица 2.2. Развитие фотоэлектричества в России

Год

Ключевые достижения

1958

Был запущен первый спутник с солнечными батареями.

1964

В пустыне Кара-Кумы недалеко от Ашхабада в Туркмении бы­ла опробована солнечная батарея с концентраторами мощностью 0,25 кВт для подъема воды.

1967

Был разработан новый класс фотопреобразователей - многопере­ходные и высоковольтные солнечные элементы на кремнии.

1970

Технология ионной имплантации стала применяться в произ­водстве солнечных элементов.

1970

Была разработана технология фотопреобразователей с двусто­ронней чувствительностью.

1975

Прошли испытания солнечные батареи площадью 1 м2 и напря­жением 32 кВ для ионно-плазменного двигателя.

1975

Разработана технология солнечных элементов на основе GaAlAs-GaAs. (В 1981 г. были использованы в лунной космиче­ской программе).

1980

Была разработана технология многопереходных солнечных элементов на основе GaAlAs-GaAs.

1984

В Ашхабаде была установлена фотоэлектрическая система мощностью 10 кВт с пластиковыми параболическими кон­центраторами.

1984

Для преобразования лазерного излучения солнечными элементами был достигнут КПД в 36%.

1987

Была разработана технология очистки металлургического кремния для солнечных элементов.

1989

В Краснодарском крае была построена «солнечная» деревня мощностью 40 кВт.

1989

Была разработана специальная технология производства солнеч­ных элементов наземного применения.

1993

Достигнут КПД в 30% для каскадных солнечных элементов на основе GaAlAs-GaAs гетероструктуры на германиевой под­ложке. Разработаны новые классы голографических, призмати­ческих, параболических концентраторов и оптических систем на их основе.

1999

Разработана низкотемпературная бесхлорная технология получения солнечного кремния.

Год

Ключевые достижения

2001

Испытана резонансная система передачи электроэнергии, 20 кВт, 10 кВ.

2004

Предложена глобальная солнечная энергетическая система с круглогодичной выработкой электроэнергии 24 часа в сутки.

2005

Стационарный параболоидный концентратор с концентрацией х 3,5.

В дальнейшем ситуация на рынке фотоэлектричества стала последова­тельно меняться. Производители фотоэлементов и модулей, освоившие про­грессивные технологии, начали производить продукцию высокого качества и поставлять ее по сравнительно низким ценам. Поэтому резко возрос объем за­казов из-за рубежа. Особенно бурно объем заказов начал расти после принятия в некоторых странах ЕС (особенно в Германии) законодательных актов, стиму­лирующих приобретение и установку у себя в домах небольших по мощности фотоэлектрических станций. Спрос на ФЭ и модули резко возрастает, и россий­ские производители начинают наращивать объемы выпуска продукции. Изме­няется состав предприятий, специализирующихся в области производства сол­нечных элементов и модулей. Наибольшие темпы роста демонстрируют пред­приятия с частной формой собственности, создаваемые, как правило, группой инициативных частных лиц, работавших ранее в этой или смежных отраслях.

Эти предприятия начинают активно развиваться. Производство солнеч­ных элементов и солнечных модулей в России в 2005 г. составило уже 12,6 МВт (это примерно 0,75 - 0,90% от общемирового объема).

image023

Производственные мощности начали концентрироваться в основном в трех регионах (рис. 2.2).

S Краснодарский край ® Москва и область ^Рязанская область

В Солнечный ветер

 

В Санэнджи

 

□ ОКБ "Красное знамя"

 

Heieccm STV

 

П Рязанский завод металлонерзмич ескнх изделий

 

 

Рис. 2.3. Доля компаний в производстве ФЭП и солнечных модулей в общем объеме производства (http://www. abercade. ru/reports/batasolrep05)

 

image024

ООО «Хевел» (совместное предприятие ГК «Ренова» и ОАО «Роснано») готовится к вводу в эксплуатацию крупнейшего в Европе завода по производ­ству тонкопленочных фотоэлектрических модулей для солнечной энергетики, расположенного в Новочебоксарске (Чувашия)[1]. ООО «Хевел» создано летом 2009 г. для развития в России производства тонкопленочных солнечных моду­лей. Доля «Роснано» в уставном капитале ООО «Хевел» составляет 49%, «Ре­новы» -51%.

В рамках проекта предполагается создать предприятие полного цикла по выпуску солнечных модулей мощностью один миллион солнечных модулей в год, что соответствует 130 МВт в год. В производстве должны быть использо­ваны новые мировые разработки в производстве «тонких пленок». В качестве базовой планируется использовать технологию тонкопленочных фотоэлементов на основе микроморфного кремния, разработанную мировым лидером солнеч­ной энергетики - компанией Oerlikon Solar (Швейцария).

Реализация проекта, если его удастся реализовать, должна способствовать стимулированию вспомогательных производств, в частности, производства особо чистых технических газов и специального стекла на территории России. В то же время авторам представляется, что при реализации проекта такого масштаба и такого характера в России надо тщательно рассмотреть ситуацию на российском рынке фотоэлементов, оценить спрос на эту продукцию и воз­можности экспорта, а также провести соответствующие подготовительные ме­роприятия.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Конференции и выставки по вопросам солнечной энергетики

В области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии орга­низуется и проводится целый ряд конференций и выставок. Их них самые важ­ные следующие: «Европейская Фотоэлектрическая Конференция» (EPVC, Ев­ропа), «ІЕЕЕ конференция специалистов в области фотоэлектричества» …

Накопители солнечной энергии

Периодические колебания в поступлении солнечного излучения - боль­шое неудобство в контексте эксплуатации солнечных энергетических систем. Ночью, когда мы в наибольшей степени нуждаемся в электроэнергии, Солнце не светит. Поэтому необходимо накапливать …

Электронные инверторы

Все фотоэлектрические генераторы вырабатывают постоянный ток. Од­нако для последующей работы с произведенной электроэнергией необходимо ее преобразовать в переменный ток и обеспечить получение напряжения, при­годного для изолированных или распределительных электрических сетей. …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua