«Дагестанский государственный технический университет»
 |
Кафедра теоретической и общей электротехники
Учебное пособие по дисциплине «Новые источники и средства передачи энергии» для студентов направления подготовки магистров 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника»
Махачкала 2014
Учебное пособие по дисциплине «Новые источники и средства передачи энергии» для студентов направления подготовки магистров 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника».– Махачкала, 2014 г. – с.110.
Курс лекций подготовлен на кафедре «Теоретическая и общая электротехника» и предназначены для студентов направления подготовки магистров при изучении дисциплины «Новые источники и средства передачи энергии».
Приводятся основные теоретические положения, а также практические рекомендации по вопросам использования новых нетрадиционных источников энергии в различных отраслях экономики и производства.
Составители: Исмаилов Т.А., Евдулов Д.В., Евдулов Д.В.
Рецензенты: декан факультета информационных систем ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», д.т.н., профессор Саркаров Т.Э.
заведующий лабораторией информационных технологий в энергетике ФГБУН Институт проблем геотермии ИПГ РАН, д.т.н., доцент Кобзаренко Д.Н.
Ó кафедра «Теоретическая и общая электротехника» ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».
Печатается согласно постановлению Совета ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» от _______ 2014 г.
Содержание
1. Состояние и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. 5
1. Состояние и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. 5
1.1. Традиционные и нетрадиционные источники энергии. 5
1.2. Запасы и динамика потребления энергоресурсов, политика России в области нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. 6
1.3. Основные объекты нетрадиционной энергетики России. 7
2. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии. 11
2.1. Интенсивность солнечного излучения. 11
2.2. Фотоэлектрические свойства p-n перехода. 12
2.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента. 15
2.4. Конструкции и материалы солнечных элементов. 16
3. Системы солнечного теплоснабжения. 19
3.1. Классификация и основные элементы гелиосистем. 19
3.2. Концентрирующие гелиоприемники. 20
3.3. Солнечные коллекторы.. 22
3.4. Солнечные абсорберы.. 25
4. Тепловое аккумулирование энергии. 26
4.1. Энергетический баланс теплового аккумулятора. 26
4.2. Классификация аккумуляторов тепла. 27
4.3. Системы аккумулирования. 28
4.4. Тепловое аккумулирование для солнечного обогрева и охлаждения помещений 30
5. Энергия ветра и возможности ее использования. 35
5.1. Происхождение ветра, ветровые зоны России. 35
5.2. Классификация ветродвигателей по принципу работы.. 38
5.3. Работа поверхности при действии на нее силы ветра. 40
5.4. Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя. 42
6. Тепловой режим земной коры. Источники геотермального тепла. 45
6.1. Тепловой режим земной коры.. 45
6.2. Подземные термальные воды (гидротермы) 46
6.3. Запасы и распространение термальных вод. 48
6.4. Состояние геотермальной энергетики в России. 50
7. Использование геотермальной энергии для выработки тепловой и электрической энергии. 53
7.1. Прямое использование геотермальной энергии. 53
7.2. Геотермальные электростанции с бинарным циклом. 55
7.3. Схема Паужетской ГеоТЭС.. 56
8. Использование геотермальной энергии для теплоснабжения жилых и производственных зданий. 58
8.1. Теплоснабжение высокотемпературной сильно минерализованной термальной водой. 58
8.2. Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализованнойтермальной водой 59
9. Энергетические ресурсы океана. 64
9.1. Баланс возобновляемой энергии океана. 64
9.2. Основы преобразования энергии волн. 65
9.3. Преобразователи энергии волн. 68
10. Использование энергии приливов и морских течений. 73
10.1. Общие сведения об использовании энергии приливов. 73
10.2. Мощность приливных течений и приливного подъема воды.. 74
10.3. Использование энергии океанских течений. 76
10.4. Общая характеристика технических решений. 77
11. Преобразование тепловой энергии океана. 81
11.1. Ресурсы тепловой энергии океана. 81
11.2. Схема ОТЭС, работающей по замкнутому циклу. 83
11.3. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу. 84
11.4. Использование перепада температур океан-атмосфера. 85
11.5. Прямое преобразование тепловой энергии. 87
12. Использование биотоплива для энергетических целей. 89
12.1. Производство биомассы для энергетических целей. 89
12.2. Пиролиз (сухая перегонка) 90
12.3. Термохимические процессы.. 92
12.4. Спиртовая ферментация (брожение) 93
13. Экологические проблемы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. 96
13.1. Проблема взаимодействия энергетики и экологии. 96
13.2. Экологические последствия развития солнечной энергетики. 97
13.3. Влияние ветроэнергетики на природную среду. 98
13.4. Возможные экологические проявления геотермальной энергетики. 100
13.5. Экологические последствия использования энергии океана. 102
14. Нетрадиционные перспективные методы передачи электрической энергии 105
Литература. 110
1. Состояние и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии
1.1. Традиционные и нетрадиционные источники энергии
При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых.
Таблица 1
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
| Источники первичной энергии | Естественное преобразование энергии | Техническое преобразование энергии | Вторичная потребляемая энергия |
| Земля | Геотермальное тепло Земли | Геотермальная электростанция | Электричество |
| Солнце | Испарение атмосферных осадков | Гидроэлектростанции (напорные и воднопоточные) | |
| Движение атмосферного воздуха | Ветроэнергетические установки | ||
| Морские течения | Морские электростанции | ||
| Движение волн | Волновые электростанции | ||
| Таяние льдов | Ледниковые электростанции | ||
| Фотосинтез | Электростанции на биомассе | ||
| Фотоэлектричество | |||
| Планеты | Приливы и отливы | Приливные электростанции |
Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.
Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.
В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г.) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков. Классификация НВИЭ представлена в табл.1.
Начиная с 90-х годов по инициативе ЮНЕСКО при поддержке государств-членов ООН и заинтересованных организаций, проводятся мероприятия по продвижению идеи широкого использования возобновляемых источников.
1.2. Запасы и динамика потребления энергоресурсов, политика России в области нетрадиционных и возобновляемых источников энергии
Потенциальные возможности нетрадиционных и возобновляемых источников энергии составляют, млрд. т.у.т в год:
- энергии Солнца – 2300;
- энергии ветра – 26,7;
- энергии биомассы – 10;
- тепла Земли – 40000;
- энергии малых рек – 360;
- энергии морей и океанов – 30;
- энергии вторичных низкопотенциальных источников тепла – 530.
Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти и газа в России составляют 8,7 млрд. т.у.т., торфа – 10 млрд. т.у.т. По имеющимся оценкам, технический потенциал ВИЭ в России составляет порядка 4,6 млрд. т у.т. в год, что превышает современный уровень энергопотребления России, составляющий около 1,2 млрд. т.у.т. в год. Экономический потенциал НВИЭ определен в 270 млн. т.у.т. в год, что составляет около 25% от годового внутрироссийского потребления. В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие годы.
Доля возобновляемой энергетики в производстве электроэнергии составила в 2002 г. около 0,5% от общего производства или 4,2 млрд. кВт·ч, а объем замещения органического топлива – около 1% от общего потребления первичной энергии или около 10 млн. т.у.т. в год.
Положительным фактором для развития НВИЭ в России является начавшееся создание законодательной базы. Так, Законом «Об энергосбережении» в 1996 г. установлена правовая основа применения электрогенерирующих установок на НВИЭ, состоящая в праве независимых производителей этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих организаций. Государственной Думой и Советом Федерации принят Закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Этот правовой акт устанавливает минимально допустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ. Предполагается развивать производственные мощности оборудования нетрадиционной энергетики, на что будет выделено 1,315 млрд. рублей: 17% из федерального бюджета, остальные – из региональных и местных бюджетов.
В мае 2003 г. на рассмотрение правительства России вынесена «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.». Одним из направлений данного документа является рассмотрение возможностей использования возобновляемых источников энергии.
Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:
- сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;
- снижение экологической нагрузки от топливно-энергетического комплекса;
- обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива;
- снижение расходов на дальнепривозное топливо. Необходимость развития возобновляемой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:
- обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях. Объем завоза топлива в эти районы составляет около 7 млн. т нефтепродуктов и свыше 23 млн. т угля;
- обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений; - снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения.
В последнее время растет интерес к нетрадиционной энергетике у региональных энергетических компаний и местных администраций. Оценки показывают, что к 2012 г. может быть осуществлен ввод в действие свыше 10000 МВт электрических и 12000 МВт тепловых мощностей на базе возобновляемых источников энергии при соответствующей государственной поддержке
1.3. Основные объекты нетрадиционной энергетики России
Остановимся теперь подробнее на действующих и строящихся энергоустановках возобновляемой энергетики. На рис.1 приведена карта России с указанием на ней мест расположения наиболее крупных объектов возобновляемой энергетики.
Россия располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60-200°C в платформенных и предгорных районах.
В 1967 г. на южной оконечности Камчатки была создана первая в стране Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, доведенная впоследствии до мощности 11 МВт. Пробуренные в Паужетской геотермальной системе несколько десятков скважин в суммарном объёме производят пароводяную смесь в количестве, достаточном для расширения Паужетской ГеоТЭС до 25 МВт.
Экономический кризис 90-х годов сказался и на сфере использования НВИЭ. Несмотря на это удалось сохранить научно-технический потенциал и освоить выпуск новой продукции. Так на ОАО «Калужский турбинный завод» производятся конденсационные блок-модульные ГеоТЭС мощностью 4 и 20 МВт. Три таких блока «Туман-4К» по 4 МВт смонтированы на Верхне-Мутновской ГеоТЭС на Камчатке. В качестве теплоносителя используется пар Мутновского месторождения давлением 0,8 МПа. Строительство Верхнее-Мутновской ГеоТЭС было начато в 1995 г. и завершено в 1999 г. В настоящее время мощность введенной в эксплуатацию ГеоТЭС составляет 12 МВт.
На Мутновской ГеоТЭС, проектная мощность которой составляет 80 МВт, будут установлены 4 энергомодуля «Камчатка-20» мощностью по 20 МВт. Строительство ГеоТЭС начато в 1992 г. на 2х площадках, на каждой из которых располагается главный корпус с двумя энергоблоками.
В 1989 г. на Северном Кавказе была создана опытная Ставропольская ГеоТЭС с использованием двухконтурных энергоустановок. В качестве теплоносителя применяется термальная вода с температурой 165 °C, добываемой с глубины 4,2 км. Технологическая схема ГеоТЭС была разработана в ЭНИН им.Кржижановского. Кроме указанных геотермальных теплоэлектростанций разработан проект и выполнено технико-экономическое обоснование Океанской ГеоТЭС на о. Итуруп в Сахалинской области суммарной мощностью 1-й и 2-й очередей 30 МВт. Находится в эксплуатации Курильская ГеоТЭС мощностью 0,5 МВт.
Месторождения парогидротерм имеются в России только на Камчатке и Курилах, поэтому геотермальная энергетика не может играть значительную роль в масштабах страны в целом. Но для указанных районов, энергснабжение которых целиком зависит от привозного топлива, геотермальная энергетика способна радикально решить проблему энергообеспечения.
В свое время в бывшем СССР широкое распространение получили малые ГЭС, которые затем были законсервированы или списаны. Сейчас есть предпосылки возврата к малым ГЭС на новой основе, за счет производства современных гидроагрегатов мощностью от 10 до 5860 кВт. В настоящее время действуют около 50 микроГЭС мощностью от 1,5 до 50 кВт, в том числе каскад ГЭС на р. Толмачева мощностью трех очередей около 45 МВт.
В области ветроэнергетики созданы образцы отечественных ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 250 и 1000 кВт, находящиеся в опытной эксплуатации. Налаживается сотрудничество с зарубежными организациями и фирмами, имеющими большой опыт в этой области.
Недалеко от г. Элиста планируется строительство крупной Калмыцкой ВЭС, проектная мощность которой составляет 23 МВт. Первая очередь была построена на базе ВЭУ «Радуга-1» мощностью 1,0 МВт и с июля 1995 г. подключена к энергосистеме Калмыкии. Установка работает в круглосуточном режиме.
В Ростовской области в составе «Ростовэнерго» работает ВЭС, известная как ВЭС-300. В ее составе 10 ВЭУ мощностью по 30 кВт каждая. ВЭУ предоставила немецкая компания HSW в рамках проекта «Эльдорадо Винд». Заполярная ВЭС мощностью 1,5 МВт (г. Воркута) успешно эксплуатируются с 1993 года. Она построена на базе шести установок АВЭ-250 российско-украинского производства мощностью 200-250 кВт каждая
В июле 2002 г. при поддержке датской компании «SЕАS Energi Service A.S.» состоялось открытие крупной ВЭС возле поселка Куликово Калининградской области. Куликовская ВЭС состоит из 21 ВЭУ датского производства мощностью 225 кВт каждая, суммарная мощность составляет 5,1 МВт. В дальнейшем планируется создание в Калининградской области первой коммерческой ветроэлектрической станции морского базирования мощностью 50 МВт. Ветропарк будет построен в 500 метрах от берега на шельфе Балтийского моря.
Подготовлено технико-экономическое обоснование Приморской ветровой электростанции общей мощностью 30 МВт. В качестве основного технологического оборудования приняты комплексные автоматизированные ВЭУ фирмы «Радуга» единичной мощностью 250 и 1000 кВт, поставляемые заводом укрупненными блоками максимальной заводской готовности. ВЭС будет размещается на мысе Лукина, где планируется установить 80 ВЭУ мощностью 250 кВт, и на мысе Поворотном – 10 ВЭУ мощностью 1,0 МВт.
Кроме перечисленных ВЭС в эксплуатации находятся до 1500 ветроустановок различной мощности (от 0,08 до 30 кВт).
В России в настоящее время работают несколько комплексов с биогазовыми установками, среди них: в Подмосковье – птицефабрика «Новомосковская», животноводческая ферма «Поярково» агрофирмы «Искра» Солнечногорского района Московской области, Сергачевская птицефабрика в Нижегородской области. В Российской отраслевой программе «Энергосбережение в АПК» на 2001-2006 годы, в разных областях, запланировано строительство 126 биогазовых установок. Кроме этого имеются технические разработки по использованию биогаза в качестве автомобильного топлива.
В восьмидесятые годы в Крыму была построена первая экспериментальная солнечная электростанция СЭС-5 мощностью 5 МВт с термодинамическим циклом преобразования энергии, а также экспериментальный комплекс сооружений с солнечным тепло- и хладоснабжением. В 60-70-е годы появились также фотоэлектрические установки автономного электроснабжения. К концу 80-х годов в бывшем СССР в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения с общей площадью около 150 тыс. м2, а производство солнечных коллекторов доходило до 80 тыс. м2 в год.
В 1968 г. в Кислой губе на побережье Баренцева моря появилась экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт, на строительстве которой был впервые использован отечественный прогрессивный метод наплавного строительства плотины. На ПЭС был установлен один обратимый капсульный агрегат французской фирмы «Нейрпик». Кислогубская ПЭС является научной базой ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений». В последние годы станция не эксплуатировалась, но июне 2003 г. руководством Мурманской области и РАО «ЕЭС России» принято совместное решение о ее восстановлении. Гидроагрегаты для восстановления станции и увеличения ее мощности заказаны на предприятии «Звездочка» г. Северодвинск Архангельской области.
В качестве перспектив развития приливной энергетики в России следует отметить проекты Мезенской ПЭС на Белом море (19200 МВт), Тугурской ПЭС на Охотском море (7980 МВт). Колоссальные мощности проектируемых ПЭС, обусловленные природными условиями, требуют большое число (по нескольку сотен) гидроагрегатов на каждой станции, длительные сроки строительства, огромные капиталовложения как непосредственно в строительство ПЭС, так и в мероприятия по их адаптации в рамках энергосистемы). Все это делает создание этих ПЭС предметом отдаленного будущего.
2. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии
2.1. Интенсивность солнечного излучения
Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный 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 спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевой воздушной 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 земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле
, (1)
где x – атмосферное давление, Па; x0 – нормальное атмосферное давление (1,013·105 Па); 
– угол высоты Солнца над горизонтом.
Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ 1,5 (
°). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной плотности солнечного излучения EC = 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов. На рис.2 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площадку.
Энергия фотонов, эВ, в излучении с длиной волны 
определяется из соотношения
, (2)
где h – постоянная Планка, с – скорость света, - длина волны.
Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Eg
Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.
 |
2.2. Фотоэлектрические свойства p-n перехода
Простейшая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис.3. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
Пусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки. Рассмотрим вначале два крайних случая: 
(режим короткого замыкания) и 
(режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис.4 а, б. В первом случае зонная диаграмма освещенного p–n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p- областями. Однако через p-n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.
При разомкнутой внешней цепи p-n-перехода (рис.4., б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода Uхх. Полярность Uхх соответствует прямому смещению p-n-перехода.
Поток генерированных светом носителей образует фототок Iф. Величина Iфравна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p-n-переход в единицу времени
, (3)
где q – величина заряда электрона; Pи– мощность поглощенного монохроматического излучения.
Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hv ≥ Egсоздает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs.
При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания (рис.4, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания Iкзравен фототоку
В режиме холостого хода (рис. 3.2.2, б) фототок уравновешивается «темновым» током Iт– прямым током через p-n-переход, возникающим при напряжении смещения Uх.х. Абсолютное значение «темнового» тока
, (4)
откуда при 
где 
– постоянная Больцмана, T – абсолютная тмпература, К; I0 – ток насыщения; A – параметр вольт-амперной характеристики p-n-перехода, меняющийся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему закону
где ∆ U – приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок.
«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае – электронов в p-области). При актах рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо посредством излучения фотонов 
, либо расходуется на нагревание кристаллической решетки. Оба процесса схематически показаны дополнительными стрелками на рис.4, б. Таким образом, режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.
2.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента
Найдем обобщенное выражение для вольтамперной характеристики освещенного p-n-перехода. Для этого предположим, что к нему подключен источник питания с варьируемым напряжением. При положительном напряжении смещения фототок Iфвычитается из «темнового» тока p-n-перехода, а при отрицательном – суммируется с ним. Выражение для вольт-амперной характеристики записывается в виде
. (5)
Рассмотрим подключение к p–n-переходу варьируемого сопротивления нагрузки (рис.4, в). Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением Iф, а сам ток нагрузки Iн равен результирующему току через p-n-переход. Принимая направление тока Iф за положительное, для Iн можно записать
. (6)
Выражение (6) описывает нагрузочную вольт-амперную характеристику освещенного p-n-перехода. Нагрузочная ВАХ арсенид-галлиевого p-n-перехода для значения фототока Iф =1 А изображена на рис.5, а, на этом же рисунке изображены ВАХ омических сопротивлений нагрузки
. (7)
для Rн1=0,1 Ом, Rн2=1,026 Ом, Rн1=10 Ом.
При известных параметрах нагрузочной ВАХ (6) и заданном значении Rн величины Iн и Uн находятся методом последовательных приближений при совместном решении (6) и (7) либо графически, как это сделано на рис.5, а. Если Rн мало, пересечение графиков происходит на горизонтальном участке нагрузочной ВАХ, т.е. на участке, где «темновым» током через p-n-переход можно пренебречь по сравнению с фототоком. По мере увеличения Rнток через нагрузку уменьшается, т.к. с увеличением прямого смещения p-n-переход как бы шунтирует нагрузку.
Таким образом, освещенный p-n-переход в соответствии с выражением (6) может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис.5, б). Здесь источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напряжения p-n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный p-n-переход. При варьировании Rнфототок перераспределяется между нагрузкой и p-n- переходом.
Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле (пренебрегаем единицей в формуле (6)
. (8)
В режимах короткого замыкания и холостого хода P = 0, поскольку либо Iн, либо Uн равны нулю.
2.4. Конструкции и материалы солнечных элементов
Производство структур на основе монокристаллического кремния – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния, арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.
Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые солнечные элементы на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой 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 максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si: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 %.
Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:
- почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;
- повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
- высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
- относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
- характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.
Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе – широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.
Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.
Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света по-глощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2-2,0.
Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фо-товольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.
Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.
Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Основа солнечны элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.
3. Системы со