Солнечное излучение (СИ) можно преобразовывать в электричество через преобразование его сначала в тепло, а затем с помощью обычных паровых турбин и соединенных с ними генераторов в электроэнергию - такие установки не имеют принципиальных отличий от ТЭС, ГЭС и АЭС - а можно и непосредственно, минуя тепловую стадию. Преимущества второго способа очевидны - мало того, что такие устройства значительно проще, компактнее и дешевле, кроме того, в них существенно меньше и энергетические потери, неизбежные при каждом преобразовании энергии из одного вида в другой, а это означает более высокий КПД и экономическую рентабельность установок с непосредственным преобразованием лучистой энергии. Тем не менее, некоторые способы преобразования СИ через тепловую фазу будут рассмотрены из-за их более перспективной основы - термоэлектронной эмиссии и эффекта Зеебека. Установки, основанные на этих явлениях (термоэлектрические генераторы) существенно отличаются от традиционных - так, в них отсутствует теплоноситель и какие-либо движущиеся части. Но все же основное внимание будет уделено непосредственному преобразованию СИ в электроэнергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

1.4.1 Термоэлектрические генераторы

1.4.1.1 Термоэлектронный генератор

Первый тип устройств для прямого генерирования электрической энергии - термоэлектронный или как его еще называют термоионный генератор. Этот прибор разработан в последние десятилетия, и возможно ему принадлежит исключительно важная роль при производстве электроэнергии в будущем.

Принцип действия термоионного генератора поясняет рисунок 1.2 В основу работы генератора положен эффект, обнаруженный Эдисоном в 1883 г. и названный термоионной (термоэлектронной) эмиссией. При нагревании одного из электродов, который позднее стали называть катодом, до достаточно высокой температуры значительная часть его электронов приобретает энергию, при которой они способны покинуть его поверхность. Правда, этот процесс протекает небеспрепятственно.

Рисунок 1.2 - Термоионный генератор

Если поблизости находится другой электрод - анод, то испущенные электроны можно направить к нему и там собрать. Это возможно лишь в том случае, если оба электрода соединить внешней цепью, поскольку в противном случае рост отрицательного заряда на аноде препятствует движению к нему эмиттируемых электронов, и при определенных условиях они не смогут его достигнуть. Но в термоионном генераторе катод и анод соединены внешней цепью. Поэтому поток электронов, то есть электрический ток, проходит через эту цепь, совершая в ней работу. На рисунке 2 внешняя нагрузка представлена сопротивлением R, но практически это может быть какое-либо устройство, например электродвигатель. Таким образом, в термоионном генераторе используется часть энергии (в интересующем нас случае это энергия солнечной радиации), израсходованной на нагревание катода, благодаря которой в нагрузке протекает ток и совершается работа.

Такое преобразование солнечной энергии в работу происходит не без потерь, и, естественно, встает вопрос о КПД подобного устройства. Электроны покидают катод лишь при его нагревании, поэтому возникают потери энергии через теплоизлучение. Часть тепловой энергии попадает на анод, который при сильном разогреве также испускает электроны. Если хотя бы часть из них достигла катода, это привело бы к уменьшению тока в нагрузке. Поэтому на охлаждение анода также необходима энергия. Итак, возможности этого способа преобразования энергии, также небеспредельны, ограничена, и величина его КПД находится на уровне 10-15%.

1.4.1.2 Термоэлектрический генератор (термопары)

Возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разнородных проводников, открытое Вольта в последнем десятилетии XVIII века, привлекло внимание физиков к процессам, происходящим в цепях разнородных материалов. Одной из фундаментальных работ в этой области, положившей фактически начало термоэлектрическим исследованиям, явилась статья немецкого ученого Зеебека "К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур", опубликованная в докладах Прусской академии наук в 1822 г.

Суть явления, наблюдавшегося Зеебеком в процессе опыта (и вошедшего впоследствии в физику под термином "эффект Зеебека"), состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнитного материала. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи.

Объективный анализ опытов Зеебека (даже при тогдашнем уровне физических знаний) мог бы дать однозначное объяснение эффекту, обусловив его возникновением в подобной цепи электрического тока, тем более, что воздействие на стрелку прекращалось при размыкании цепи. Однако Зеебек предложил собственную интерпретацию эффекта, объясняющую его намагничиванием материалов под действием температуры и разработал в качестве ее следствия смелую гипотезу происхождения земного магнетизма, суть которой сводится к тому, что земное магнитное поле образовалось в результате разности температур между полюсами и экваториальным поясом Земли. Заблуждение Зеебека сыграло положительную роль: чтобы опровергнуть электрическое происхождение термоэлектрических токов, он на самых различных материалах сопоставлял явление электризации (контактный потенциал) или ряд Вольта с воздействием разности температур на магнитную стрелку и показывал различие между ними.

Составленный Зеебеком обширный термоэлектрический ряд (таблица 1.4) представляет интерес и поныне. В современных обозначениях (б - термоэлектродвижущая сила на 1° С и у - удельная электропроводность) ряд Зеебека определяется произведением бу вместо величины б²у/ч (где ч - удельная теплопроводность), которая характеризует термоэлектрические свойства материала.

На основе эффекта Зеебека и создаются термоэлектрогенераторы. На рисунке 1.3 показана типичная конструкция термоэлектрического генератора на основе проводников. Обычно проводники соединяются последовательно, так как разность потенциалов на выходе каждой пары проводников в реальных устройствах имеет величину порядка 300-400 мкВ на единицу, разности температур. Поэтому при разности температур 500 К выходное напряжение на каждой паре элементов составляет не более 0,2 В.

Рисунок 1.3 - Термоэлектрический генератор

Работу реальных устройств сопровождают определенные необратимые явления. Возможна теплопередача от источника к охладителю непосредственно через элементы генератора. Внутри элементов при протекании тока выделяется джоулево тепло.

Для любой пары термоэлектрических элементов скорость теплопередачи через проводимость пропорциональна разности температур на их концах (при условии отсутствия рассеяния тепла). Тогда справедливо уравнение

Q_т=K (T₁-T₂), (1.2)

где К зависит от теплопроводности материалов, площади поверхности и длины элементов.

Джоулево тепло, выделяющееся при прохождении тока I, равно

Q_дж=I²R, (1.3)

Где К - общее сопротивление элементов, зависящее (как и теплопроводность) от удельного сопротивления материала, размеров и формы элементов. Если опять же предположить, что тепловые потери отсутствуют, то половина энергии, преобразованной в джоулево тепло, проходит к каждому из соединений.

Получаемая в нагрузке мощность от такого генератора определяется из соотношения

P=S (T₁-T₂) I - I²R, (1.4)

где S коэффициент Зеебека зависящий от материала проводника.

Если считать неизменными другие величины, значение КПД определяется только величиной тока. Установлено, что с уменьшением тока КПД сначала растет, а затем падает. Максимальное значение КПД зависит от параметра Z характеризующего некоторую совокупность свойств проводника, называемого добротностью. Для металлов Z очень мала, поэтому для изготовления ТЭГ применяют легированные полупроводники, для которых добротность при определенных температурах не превышает 0.0005 на 1 К. Тогда при температуре нагревателя 1000 К и охладителя 300 К, общий КПД преобразования составляет лишь около 7% и то при концентрации солнечного излучения с помощью зеркал.

Таблица 1.4 - Термоэлектрические ряды

Несмотря на то, что КПД современных термоэлектрических генераторов очень мал, интерес к ним продолжает расти. Если учесть, что еще несколько десятилетий назад КПД термоэлектрических генераторов был в 10 раз ниже достигнутого в настоящее время, а поиск новых более совершенных материалов продолжается, то можно надеяться на дальнейшее усовершенствование этого типа генераторов. Например, если удастся достигнуть величины добротности 0,005 на 1К в диапазоне температур от 300 до 1000 К, то КПД генератора увеличится с 7 до 31%.

Следует заметить, что температурные изменения добротности могут благоприятно отразиться и на эффективности системы, состоящей из плоского коллектора и термоэлектрического генератора (рисунок 1.4). Максимальная температура в данном случае значительно ниже, но для достаточно узкого интервала температур можно подобрать такую пару термоэлектрических материалов, которые обеспечат сравнительно высокую добротность. При температуре Т= 400 К и Z =0,002 на 1 К суммарный КПД составляет около 3,5%. Если учесть, что получение такой рабочей температуры не связано с применением сложных концентраторов, снабженных устройством, следящим за движением солнца, то система подобной конструкции оказывается вполне приемлемой. Относительно низкая величина КПД системы обусловлена входящим в ее состав генератором.

Рисунок 1.4 - Термоэлектрический генератор с плоским коллектором

Из всего сказанного видно, что эффективность систем, в которых солнечная энергия используется для нагревания соответствующих устройств, принципиально ограничена, в результате чего полезно реализуется лишь незначительная доля падающей солнечной энергии. Даже по самым оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.

Таким образом, дальнейшее исследование устройств для преобразования энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным. В одном из таких устройств, которому еще 10 лет назад отводилось важное место при решении вопросов крупномасштабного получения энергии, использован магнитогидродинамический эффект, или МГД-эффект, но последние исследования, а в большей степени практические реализации такого устройства показали, что его использование из-за низкого КПД неэффективно. В следующей главе будут описаны другие методы получения энергии. Их существенное отличие заключается в том, что они позволят использовать энергию солнечной радиации без сколько-нибудь заметного повышения температуры элементов систем, то есть тепловая стадия в процессе преобразования энергии исключается.

1.4.2 Фотоэлектрические генераторы

В преобразователях световой энергии в электрическую используется фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем и обстоятельно исследованный, начиная с 1888 г. Столетовым.

Фотоэффект выражается в "выбивании" электронов фотонами света с поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием света, падающего на границу металл - полупроводник (или n-полупроводник и p-полупроводник) ЭДС, вызывающей появление или изменение тока в цепи (фотоэффект запирающего слоя или вентильный фотоэффект).

Устройства, основанные на внешнем и внутреннем фотоэффекте рассматриваться не будут т.к. они аналогичны термоэлектронным генераторам, рассмотренным выше - различаются лишь способом получения электронного пучка. Можно только отметить, что КПД таких генераторов очень низок - всего 0.5-1%. Столь низкий КПД является причиной того, что при исследовании вопросов получения энергии фотоэмиссионным генераторам отводится незначительная роль, хотя возможно используя какие-то оригинальные конструкции, их КПД можно значительно повысить. Однако все эти возможности остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических генераторов использующих вентильный фотоэффект.

1.4.2.1 Вентильный фотоэлектрический генератор

Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).

.

Рисунок 1.5 - Принцип действия солнечного электрогенератора

Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов - приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.

Фотоэлементы с запирающим слоем строятся с 1888г., т.е. со времени открытия этого эффекта Ульяниным (учеником Столетова), однако их КПД при использовании металлов не превышает 1 %. Применение полупроводников с различными типами проводимости дало значительно лучшие результаты. Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем.

Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионов (рисунок 1.5). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого, направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п>р и дырок в направлении р>п.

Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в нем происходит внутренний фотоэффект - образуются пары зарядов электрон-дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея возможности пройти сквозь запирающий слой, устремляются в нее. Дырки же легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит рекомбинация - в цепи начинает протекать ток.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (таблица 1.5) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-серебряные и др.

Конструктивно любой вентильный фотоэлемент довольно прост. Изготавливается так называемый нижний электрод, представляющий собой металлическую пластинку, толщиной от одного до двух миллиметров. Форма пластинки не имеет никакого принципиального значения и определяется лишь назначением фотоэлемента. Нижний металлический электрод должен быть механически прочным. На него наносится тонкий слой того или иного полупроводника. Затем он подвергается соответствующей обработке, цель которой заключается в создан в толще полупроводника р-n-перехода. Когда эта цель достигнута, на наружную поверхность в большинстве случаев наносится верхний металлический электрод, представляющий собой тонкий полупрозрачный слой металла.

Таблица 1.5 - Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов

Иногда обработка полупроводникового слоя для создания в нем р-n-перехода проводится при нанесенном уже верхнем металлическом электроде. Бывает и так, что полупроводник обрабатывается в отсутствии обоих электродов. Последние создаются уже после образования в полупроводниковом слое р-n-перехода. При изготовлении некоторых фотоэлементов р-n-переход образуется в процессе нанесения электрода.

Вся эта система помещается в оправку с окошком для светового потока. В оправку вмонтированы две токовые клеммы. Одна из них соединяется с нижним электродом, другая - с верхним.

Для предохранения наружной поверхности фотоэлемента, от вредного влияния атмосферного воздуха иногда она покрывается прозрачным лаком.

Если фотоэлемент изготавливается из хорошо проводящего полупроводникового вещества, например кремния или германия, то верхний электрод может быть выполнен в виде кольца, если фоточувствительная поверхность имеет форму диска, или прямоугольной рамки.

Когда на верхний электрод фотоэлемента падает лучистый поток, то некоторая его часть отражается от металлического слоя, другая часть поглощается в толще этого слоя и, наконец, остальная часть проходит сквозь последний и поглощается в прилегающей области полупроводника. Это приводит к освобождению пар электрон-дырка, о чем было рассказано выше. В результате перемещения дырок к одному электроду, а электронов к другому, они приобретут заряд противоположных знаков и между ними возникнет разность потенциалов. Ее величина до определенного предела будет тем большей, чем больше интенсивность лучистого потока.

Что касается КПД современных фотоэлектрических преобразователей, то экспериментально показано, что в них преобразуется только около 50% падающей на элемент солнечной энергии, также показано, что при правильном выборе материалов и достаточной освещенности можно добиться того, чтобы в процессе генерирования энергии принимало участие не менее 80% возникающих под действием фотонов пар электрон-дырка. Фотоэлемент с такими параметрами будет обладать КПД порядка 20%.

Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным рисунка 1.6

Рисунок 1.6 - Зависимость выходной мощности фотоэлектрического генератора от интенсивности солнечного излучения

При интенсивности солнечной радиации Р=800 Вт/м² полезная мощность практически не превышает 130 Вт/м². Куда же расходуется оставшаяся неиспользованной энергия? Следует избегать того, чтобы эта энергия затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки, поскольку в противном случае возбужденные носители могут преодолевать запирающий слой различными "окольными" путями. Поскольку интенсивность колебаний решетки непосредственно связана с температурой, то в равной мере можно говорить о необходимости поддерживать температуру на низком уровне. Этого добиваются различными способами. Обычно при повышении рабочей температуры с 20 до 100° С КПД установки снижается на одну треть. Очевидно, ту часть спектра солнечной радиации, которая расходуется непроизводительно, можно устранить с помощью соответствующих отражающих покрытий, но внутри генератора всегда происходят какие-нибудь тепловые процессы, поэтому необходимо обеспечить по возможности наилучший отвод тепла через теплопроводность или лучеиспускание.

1.4.2.2 Перспективы развития фотоэлектрических генераторов

Вопреки различным оптимистичным прогнозам простейшие фотоэлектрические генераторы по КПД пока еще не превосходят системы на основе механических тепловых машин и термоионных преобразователей. Низкий КПД фотоэлектрического генератора объясняется двумя основными причинами: с одной стороны, значительная часть световых фотонов обладает энергией, которая не оказывает нужного действия на электроны материала, а с другой - разность потенциалов V на нагрузке составляет лишь малую часть от напряженности поля E_з в запрещенной зоне. Весьма вероятно, что проводимые в настоящее время исследования позволят создать новые устройства, в которых указанные недостатки окажутся менее существенными. В высоколегированных полупроводниках, где ширина запрещенной зоны значительно больше, второй из названных недостатков выражен значительно слабее. В этом случае число носителей, преодолевающих р-n-переход "окольными" путями, уменьшается. Проводятся перспективные исследования по созданию более сложных устройств, схематически показанных на рисунке 1.7.

Рисунок - 1.7 Типы фотоэлектрических генераторов:

а-однокаскадный; б-многокаскадный

Солнечная радиация сначала попадает на элемент, изготовленный из полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, благодаря чему он обладает высоким КПД в нужной нам части солнечного спектра. Фотоны с энергиями ниже E_з не оказывают воздействия на этот элемент, материал которого для них по существу является прозрачным. Пройдя через первый каскад, эти фотоны попадают во второй, выполненный из материала с меньшей величиной E_з (по сравнению с первым элементом). Его способность захватывать эти фотоны высока, хотя КПД ниже, чем у первого элемента. Такое сочетание двух солнечных элементов позволяет получить более высокий суммарный КПД, чем для каждого из них в отдельности. Возможность дальнейшего совершенствования такого рода устройств открывается с применением для их изготовления интегральной технологии и созданием так называемого интегрального генератора, в котором ширина запрещенной зоны изменяется с глубиной; она велика у облучаемой поверхности, а затем уменьшается в глубь материала. Эта и другие новые разработки фотоэлектрических генераторов открывают дальнейшие перспективы повышения их КПД; предполагается, что КПД фотоэлектрических систем может достигнуть 50-60%, то есть превысить КПД любых других систем. Особое внимание уделяется вопросу удешевления конструкций фотоэлектрических генераторов, поскольку созданные до настоящего времени устройства оказались чрезвычайно дорогостоящими.

Еще 10-20 лет назад цена фотоэлектрического преобразователя площадью в 1 см² составляла в среднем несколько долларов. Причины такой высокой стоимости понятны, если учитывать чрезвычайно высокие требования к чистоте полупроводниковых материалов. В последние годы удалось удешевить производство, заменив дорогой монокристаллический кремний поликристаллическим и разработав новые технологии изготовления элементов. В результате стоимость наземных солнечных батарей снизилась в несколько раз. Также вместо чистого кремния стали применять относительно новый полупроводник алюминий-галий-мышьяк (AlGaAs) - с ним связывают надежды на новое снижение стоимости фотоэлементов.

1.5 Описание местности