Применение солнечной энергии

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ФОТОХИМИЯ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

Изучение прямого преобразования солнечной энер­гии в электрическую началось с конца XIX в. Первые работы относились к термоэлементам, составленным из пар разных сплавов, причем КПД их был очень низ­ким, обычно менее 1%. Обзор этих работ был выполнен Телкес в статье, написанной в 1953 г. [1] [6]. К этому времени сложилось мнение, что возможности для до­стижения более высокой эффективности прямого преоб­разования энергии весьма ограничены и поэтому такой метод получения электричества не является перспектив­ным. Таким же пессимистическим было отношение к этому вопросу в Великобритании [2]. Однако в 1954 г. в США в лабораториях фирмы «Белл телефон» было обнаружено, что, если вместо обычных светочувстви­тельных материалов, которые использовались для изго­товления первых фотоэлементов, 'применять тонкие пла­стины из кремния с ничтожно малыми количествами со­ответствующих примесей, то можно повысить эффектив­ность преобразования солнечного излучения в электри­чество более чем в десять раз. С этого момента начал­ся период постоянных успехов в этой области, и появи­лись сообщения о значительно более высоких значениях КПД преобразования, полученных в лабораторных ус­ловиях— до 16% для кремниевых элементов и выше 20% для некоторых новых типов элементов из арсенида галия. Широко известно использование солнечных эле­ментов в космических условиях, ускоряются темпы раз­вития их наземного применения, так что предполага­лось, что в ближайшие годы, с помощью солнечных эле-

ментов будет обеспечиваться заметная часть мирового энергопотребления.

Современные солнечные элементы имеют следую­щие преимущества: в них отсутствуют движущиеся из­нашивающиеся части, они имеют неограниченный срок службы, требуют минимального обслуживания (или вообще не требуют такового), не загрязняют окружаю­щую среду [3]. В отличие от электрогенераторов дру­гих типов они могут применяться в широких пределах мощности — от одного ватта и менее до нескольких ты­сяч мегаватт. Однако согласно проведенным в Японии оценочным расчетам для создания солнечной станции мощностью 10 МВт при технологическом уровне, до­стигнутом к 1974 г., потребовалось бы израсходовать целиком все количество кремния, производимого в ми­ре,— около 1 тыс. т [4]. Солнечные энергетические ус­тановки на фотоэлементах, введенные в эксплуатацию в Японии в 1974 г., мощность которых оценивалась всего лишь в 20 кВт, были, по-видимому, самыми большими в мире. Японский проект «Солнечный свет», осуществле­ние которого было начато в 1974 г., включает проекты строительства солнечных фотоэлектрических установок мощностью 1 МВт к 1980 г.[7], мощностью 10 МВт к 1986 г., мощностью 100 МВт к 1991 г. и еще более мощ­ных установок к 2000 г. По оценкам национального на­учного фонда в США [5] пиковая мощность выпускае­мых ежегодно солнечных батарей будет составлять 5000 МВт к 1990 г. и 20 000 МВт к 2000 г., что обеспе - I чит покрытие около 2% предполагаемой суммарной потребности в электроэнергии.

Типы солнечных элементов. Если в полупроводнико­вый материал высокой чистоты вносить ничтожно ма­лые количества соответствующих примесей, то можно из­менять его электрические свойства и получать полупро­водниковые материалы с электропроводностью двух ос­новных типов: p-типа со связанными носителями о'три - j дательного заряда и свободными носителями положи­тельного заряда и я-типа со связанными положительно заряженными и свободными отрицательно заряженны­ми носителями. Если в одном кристалле полупроводни­ка создать слои двух указанных типов и осветить по-

верхность кристалла солнечными лучами, то носители будут диффундировать через р-п переход навстречу друг другу, вызывая во внешней цепи электрический ток, как это показано на рис. 6.1. Первые солнечные элементы изготавливались из кремния. Для получения одного из

видов современных крем-

ниевых фотоэлементов в тонкую пластину из моно­криста л л ического кремния высокой чистоты, легиро­ванного фосфором, мышья­ком или сурьмой, вводится бор путем диффузии через верхнюю поверхность, в ре­зультате чего образуется элемент типа р-п. Перед­нюю сторону элемента за­щищают тонким стеклян­ным или кварцевым покры­тием. Процесс коммерче­ского производства крем­ниевых солнечных эле­ментов является сложным, он включает стадию выра­щивания кристалла из расплава, где требуется контроль температуры с точностью ±0,1° С на уровне 1420° С [6]. Поэтому такие фотоэлементы дороги, и в 1976 году стоимость одного ватта пиковой мощности составляла около двадцати фунтов стерлингов.

Основную конкуренцию кремниевым фотоэлементам

кратную концентрацию потока солнечных лучей. Прово­дятся также работы [9] по исследованию органических полупроводников и барьеров Шоттки (граница ме­талл — полупроводник).

Применение. Дорогостоящие солнечные элементы, вы­пускаемые в настоящее время, нецелесообразно исполь­зовать при наличии традиционного источника энергии Однако уже сейчас в ряде случаев применение таких устройств является экономически выгодным. Быстрое развитие получили разработки по обеспечению энерги­ей автоматических морских бакенов. Солнечные эле­менты находят все более широкое применение для энер­госнабжения сигнальных огней на буях, в маяках и на морских нефтяных вышках, особенно в Мексиканском заливе и на Японских островах [10]. В Великобритании кремниевые фотобатареи были применены впервые в 1968 г. в установке для снабжения энергией навигаци­онных огней на Темзе у Кросснисса [11]. В первых опы­тах проблема «агрессивности» морской атмосферы была основной, причем оказалось, что соль, имеющаяся в атмосфере, разрушает некоторые смолы и пластмассо­вые материалы, скрепляющие внешнюю оболочку эле­ментов.

В настоящее время считается, что подходящими по­требителями солнечных энергоисточников являются ав­томатические метеостанции и другие удаленные и труд­нодоступные приборы. На первый взгляд может пока­заться, что эксплуатационные расходы при использова­нии обычных видов топлива достаточно низки, однако стоимость топлива составляет лишь небольшую часть затрат, связанных с эксплуатацией установки и достав­кой топлива. В США одним из первых применений фо­тоэлементов было их использование для питания отда­ленных радиопередатчиков Службы леса США, распо­ложенных на вершинах гор. В Нигерии школьные теле­визионные программы предназначаются для школ, рас­положенных в районах, не обеспеченных энергоснабже­нием, и с 1968 г. для энергопитания телевизионных приемников используются солнечные батареи [12]. Потребляемая от источника постоянного тока мощ­ность составляет около 32 Вт при напряжении от 30 до 36 В. Стоимость солнечных элементов составляет 3100 долл., а химических батарей 976 долл., однако солнечные батареи, срок службы которых оценивается

примерно в 10 лет, обеспечили бы свыше 25 000 ч рабо­ты, в то время как химические батареи работают 2000 ч. Может также найти применение легкий перенос­ный компактный энергоисточник, изображенный на рис. 6.2, представляющий собой батарею «Ферранти», кото­рая использовалась во время недавнего восхождения британской экспедиции на Эверест. Солнечные батареи можно применять для зарядки аккумуляторов на про­гулочных яхтах и спасательных лодках.

Торговая фирма «Митр корпорейшн» в США уста­новила солнечную батарею пиковой мощностью 1 кВт. которая являлась самой крупной наземной фотоэлект­рической установкой, пущенной в действие к 1975 г. [13]. Система аккумулирования энергии в этой установ­ке состояла из аккумуляторной батареи для кратковре­менного и пикового потребления в комбинации с топ­ливной батареей на электролизном водороде для покры­тия базовой нагрузки и для работы в ночное время - Сообщается о других применениях солнечных батарей­но

в том числе для энергоснабжения первой в мире дорож­ной системы связи в Калифорнии, миниатюрных радио­передатчиков, закрепленных на теле диких животных, отдаленных снего - и дождемеров, сигнальных противо­пожарных устройств и сейсмографов [10].

Аккумулирование электроэнергии. Совершенствование аккумуляторных батарей происходит сравнительно мед­ленно, так что традиционные свинцовые кислотные ба­тареи очень громоздки и имеют низкое отношение мощ­ности к массе. В будущем альтернативой могут явиться сернистонатриевые батареи [14]. Существенное улучше­ние отношения мощности к массе можно получить на установках с инерционным маховиком. Была предложе­на идея использовать для аккумулирования энергии до 70 кДж (около 20 000 кВт-ч) маховик диаметром 5 м из прочного и легкого материала, например из вдавле­ного кварца [15]. Аккумулирование энергии в большом масштабе можно осуществить также, запасая высоко­температурное тепло с помощью эвтектических смесей фторидов металлов, например NaF/MgF2. Высокотемпе­ратурный аккумулятор может быть затем использован как источник тепла в обычной термогенерирующей си­стеме, однако общая эффективность при этом будет сравнительно низкой. Процесс получения небольшого ко­личества водорода при электролизе воды, упомянутый выше, содержит большие возможности для сшцествен - ного увеличения масштабов производства водорода, од­нако существует еще много технических трудностей, которые необходимо преодолеть [16].

Перспективы развития. Совершенно новая технология производства кремниевых элементов в настоящее время разрабатывается в США [17]. Благодаря тому, что кри­сталлы кремния выращиваются непосредственно в виде ленты, удается исключить из технологии дорогостоящий процесс нарезки тонких кремниевых пластин из боль - шогЪ монокристалла цилиндрической формы. Техноло­гия, известная как выращивание пленок с определенны­ми границами, была применена для получения лент из кремния в 1971 г., причем первой задачей являлось вы­ращивание кремниевых лент, подходящих для использо­вания в солнечных элементах. Вторая задача состояла в получении кремниевой ленты высокого качества, обеспечивающей КПД солнечных элементов, равный при­мерно 10%, а третья задача заключалась в том, чтобы

выращивать непрерывную длинную ленту и доказать принципиальную возможность применения этой техно­логии для производства достаточно длинных лент. Эти задачи были решены, и в 1974 г. началось производство лент длиной около 2 м. Конечной целью является увели­чение длины лент до 30 м и более при сохранении КПД на уровне 10%, а затем непрерывное выращивание большого числа лент одновременно в одном производст­венном агрегате. Производство этих дешевых и эффек­тивных элементов в широких масштабах предвидится не раньше, чем в 1985 г. Одна из основных трудностей получения солнечных элементов состоит в том, что для их производства требуются большие затраты энергии, особенно когда речь идет о кремниевых элементах. Эту трудность можно преодолеть, используя солнечную печь для получения кремния из исходного сырья [18].

Дальнейшее развитие наземного использования сол­нечных элементов в тех районах, где их можно приме­нять для выработки электроэнергии в широких масшта­бах, связано с существенным уменьшением их стоимо­сти. Разговоры о снижении стоимости в 100 раз и более звучат слишком оптимистически, однако в настоящее время широко используются устройства, стоимость кото­рых в 1950 г. была в 100 раз выше, чем сейчас. Прек­расным примером в этом отношении являются шарико­вые ручки и транзисторы [3]. Пока имеются средства для выполнения необходимых исследований и разрабо­ток, нет оснований сомневаться, что проектируемая на 80-е годы стоимость около 2 фунт. ст. и на 2000 г. около 0,1 фунт. ст. за 1 Вт пиковой мощности может быть достигнута [3, 5] [8].