История создания и совершенствования солнечной фотоэлектрической энергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

История создания и совершенствования солнечной фотоэлектрической энергетики

Введение

солнечный батарея энергетика

Экономика любой страны зависит от разных факторов, среди которых уровень развития её электроэнергетики играет значительную роль. То есть, энергия - отрасль экономики, которая является показателем уровня развития производства, науки и страны в целом. Уже в древние времена люди осознавали, что вся жизнь на Земле неразрывно связана с Солнцем. Солнце является основным источником энергии для нашей планеты и всей жизни на ней[4]. Согласно экспертным оценкам доказанных запасов в мире нефти, торфа, угля, человечеству продлится ещё только на несколько лет, поэтому использование ВИЭ возобновляемых источников энергии обеспечение глобальной энергетической безопасности.

Развитие сельского хозяйства и промышленности также зависит от состояния энергетики, так что использование ВИЭ также поможет решить проблему устойчивого развития сельских районов. Таким образом, внедрение возобновляемой солнечной энергии (СЭ) повлияет на решение трёх глобальных проблем как: энергетики, продовольствия и экологии.

Солнечная энергия является наименьшим загрязнением для планеты и самый неисчерпаемый из всех известных источников энергии. Солнечные системы являются экономически эффективными, надежными и простыми в использовании. Их применение набирает популярность в развитых странах.

В настоящее время большинство стран мира пытаются расширить использование ВИЭ, по следующим причинам: снижение зависимости от импорта ископаемого топлива (главным образом, газа и нефти), сокращение загрязнения окружающей среды, возможность интеграции возобновляемых источников энергии в существующую энергетическую сеть, возможность применения и развития наукоемких технологий, неисчерпаемость возобновляемых источников энергии, Многодоступность ВИЭ.

Таким образом, использование солнечной энергетики является одним из наиболее перспективных энергетических направлений.

1. История возникновения cолнечной энергетики

1.1 Предпосылки появления солнечных батарей

точкой солнечных является 1839 диэлектриках когда открыт эффект. Это открытие сделано Эдмоном Беккерелем. Гипотеза блестяще задачу излучения фекттела, подтверждение дальнейшее при фотоэффекта - поля оказывает исследование сыграло роль вырываются становлении частиц теории. фотоэффект внутренний вентильный.

фотоэлектрическим (фотоэффектом) испускание веществом действием следующие излучения. фотоэффект измерения в телах ученым полупроводниках, а излучения в на молекулах Фотоэффект (1887 г.) Г. Герцем, усиление разряда развитие облучении промежутка излучением[7].

катод различных волн, установил закономерности, утратившие значения нашего времени[9].

1) наиболее действие ультрафиолетовое

2) под света теряет отрицательные

3) сила возникающего действием прямо его

Дж. Дж. в 1898 измерил заряд под света (по в и полях). Эти измерения показали, что под действием света вырываются электроны.

- Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э.д.с.

Рис. 1. для схема полупроводниках исследования

- Вентильным фотоэлектрическим эффектом, являющимся своего рода внутренним фотоэффектом, является возникновение электродвижущей силы. (фотоэдс) при освещении контакта между двумя полупроводниками или полупроводниками и различными металлами (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает путь для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.

На рисунке (рис. 1) показана экспериментальная установка для исследования вольт-амперной характеристики фотоэффекта - зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке 2 (рис. 2). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока I_нас - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

I_нас= en

Где n - число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из вольт-амперной характеристики (ВАХ) следует, что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью ?, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжениеU₀. При U=U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью ?_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Тогда,

m ?² /2 =e U_0, (1)

т.е., измерив, задерживающее напряжение U₀, можно определить максимальные значения скорости ?_max и кинетической энергии фотоэлектронов.

При изучении вольт-амперных характеристик ВАХ разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три 3 закона внешнего фотоэффекта.

I. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности ее катода).

Рис. 2

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ?.

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ?₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Качественное объяснение фотоэлектрического эффекта с волновой точки зрения не должно, на первый взгляд, быть трудным. Действительно, под действием поля световых волн в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для выхода электронов из металла; следовательно, наблюдается фотоэлектрический эффект. Кинетическая энергия электрона, выброшенного из металла, должна зависеть от интенсивности падающего света, потому что с увеличением этого электрона электроны будут передавать большую энергию. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта. Поскольку, согласно теории волн, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности, должен оторвать электроны металла; другими словами, красная граница фотоэлектрического эффекта не должна быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта. Более того, волновая теория не могла объяснить инерцию фотоэффекта, установленную в экспериментах. Таким образом, фотоэлектрический эффект необъяснимо с точки зрения теории световых волн.

Многие люди склонны полагать, что история солнечных батарей основана на деятельности Альберта Эйнштейна. В частности, великий ученый получил в 1922 году Нобелевскую премию за изучение характеристик внешнего фотоэлектрического эффекта, а не для оправдания известной теории относительности [1].

А. Эйнштейн в 1905 году показал, что феномен фотоэффекта и его закономерности можно объяснить на основе предложенной им квантовой теории предложенного им фотоэлектрического эффекта. Согласно Эйнштейну, частота света испускается не только по предложению Планка, но также распространяется в просторанство и поглощается веществом на отдельные части (кванты), энергия которых равна . Таким образом, распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток квантов дискретного света, находящегося в пространстве, движущегося со скоростью с распространения света в вакууме. Квантовое электромагнитное излучение называется фотонами.

Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается одним электроном. Поэтому количество выталкиваемых фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (закон I фотоэлектрического эффекта). Инерция фотоэлектрического эффекта объясняется тем, что передача энергии происходит почти мгновенно, когда фотон сталкивается с электроном.

Энергия падающего фотона расходуется на работу электрона А для обработки металла и сообщения на кинетическую энергию, излучаемую фотоэлектроном . По закону сохранения энергии,

(2)

Уравнение (2) - уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить законы II и III фотоэлектрического эффекта. Из (2) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с ростом частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни А, ни не зависят от интенсивности света (закон фотоэффектаII). Так как при уменьшении частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А= const),

то при достаточно низкой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов обращается в нуль и фотоэлектрический эффект прекращается (третий закон фотоэффекта). Из вышесказанного из (2) получаем, что

(3)

и есть красная граница фотоэлектрического эффекта для данного металла. Это зависит только от рабочей функции электрона, т. Е. От химической природы вещества и состояния его поверхности.

Уравнение Эйнштейна было подтверждено экспериментами Милликена. В его аппарате (1916 год) металлическая поверхность подвергается вакуумной очистке. Исследовалась Зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов изменялось задерживающее напряжение (см. (1)) от частоты и определялась постоянная Планка. В 1926 году российские физики П.И. Лукирский (1894-1954) и С.С. Прилежаев для изучения фотоэлектрического эффекта, применяемого сферическим конденсаторным вакуумом. Анод в их установке был разложен стенкой стеклянного сферического баллона, а катод - шарик (R 1,5 см) испытуемого металла, помещенный в центр сферы. В остальном схема не является принципиально не отличается от описанной на рис. 1.

Такая форма электродов позволила увеличить наклон вольт-амперных характеристик и тем самым более точно определить напряжение задерживающее U₀ (и, следовательно, и ). Значение , полученное из экспериментальных данных, согласуется со значениями, найденными другими методами (от излучения черного тела и кратковременным пределом непрерывного рентгеновского спектра). Все это является доказательством правильности уравнения Эйнштейна и в то же время его квантовой теории фотоэффекта. Если интенсивность света очень велика, то возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получать энергию не от одного, а от N фотонов (= 2 ч7). Уравнение Эйнштейна для многофотонного фотоэффекта

Идея Эйнштейна о распространении света в виде отдельного потока фотонов и квантовой природе взаимодействия электромагнитного излучения с веществом была подтверждена в 1922 году экспериментами А.Ф. Кузнецова. Иоффе и Н.И. Добронравова.

Если свет представляет собой поток фотонов, каждый фотон, входящий в записывающее устройство (глаз, фотоэлемент), должен запускать действие независимо от других фотонов. Это также означает, что запись низкого светового потока должна наблюдаться при флуктуациях интенсивности. Эти флуктуации низких потоков видимого света фактически наблюдались Вавиловым. Наблюдения были сделаны визуально. Глаз, адаптированный к темноте, имеет относительно сильный порог визуального ощущения, т. Е. Получает свет, интенсивность которого равна или превышает определенный порог. Для света л= 525 нм порог зрительного ощущения составляет около 100-400 фотонов, падающих на сетчатку за 1 с для разных людей. Вавилов С.И. периодически наблюдал вспышки света той же продолжительности. При уменьшении светового потока некоторые вспышки больше не воспринимаются глазом, а чем ниже светящийся поток, тем больше количество вспышек. Это объясняется флуктуациями интенсивности света, т.е. было установлено, что количество фотонов ниже порогового значения по случайным причинам. Таким образом, эксперимент Вавилова явился явным подтверждением квантовых свойств света.

1.2 История появления и развития технологии СБ (Ключевые даты)

История солнечных батарей датируется первой половиной девятнадцатого века (XIX века), когда в 1839 году было обнаружено лежащее в ее основе явление фотоэлектрического эффекта. Но все же прошло более ста лет с тех пор, прежде чем первая конверсия световая энергия в электричестве[5].

В 1839 году: использование линз и зеркал для концентрации солнечных лучей, например, для нагрева воды, использовалось со времен античности, но в 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель начал экспериментировать с электролитическими клетками, которые генерируют электричество под воздействием солнца.

В 1873 году английский инженер-электрик Смит Уиллоуби, проводя эксперименты по определению проводимости селена, обнаружил, что при освещении этот проводник меняет сопротивление. Открытие включало ряд серьезных исследований по этой теме. В 1876 году лондонский профессор Уильям Гриллс Адамс и его ученик Ричард Эванс Дэй наблюдали за фотогальваническим эффектом при освещении селена. Разумеется, они не могли получить количество электроэнергии, необходимое для эксплуатации любого оборудования, но они доказали возможность производства электричества твердыми элементами под воздействием солнца. Таким образом, возникла идея создания фотогальванической ячейки.

В 1883 году американский изобретатель Чарльз Фритц создал первую фотогальваническую ячейку на основе селена. Он покрыл селеновую основу тонким слоем золота. Этот первый солнечный элемент в работе имел выход только 1%. Этот модуль стал предшественником современных фотоэлектрических модулей. Первые солнечные элементы в мире, основанные на этих элементах, были установлены на крыше одного из зданий Нью-Йорка в 1884 году. Но высокая стоимость этих фотоэлектрических элементов не позволила широкомасштабному внедрению этих солнечных элементов.

В 1884 году Юлий Эльстер с Гансом Фридрихом Гайтелем представили большую монографию, посвященную изучению фотоэффекта. В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц обнаружил новые свойства элементов, которые он назвал «внешним фотоэффектом»,

Тщательное изучение этого явления, он поручил своему ученику Вильгельму Людвигу Францу Гальваксу. В том же году, помимо Galvax, итальянский физик Риги Аугусто проводит аналогичные исследования, результаты которых почти совпадают с результатами Galvax.

С 1888 по 1891 год выдающийся русский ученый Александр Григорьевич Столетов интересовался изучением внешнего фотоэлектрического эффекта. Основываясь на своих исследованиях, он создал первый в мире фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэлектрическом эффекте. Изучая зависимость интенсивности тока от интенсивности падающего излучения на фотокатоде, Столетов вывел первый закон фотоэффекта, получивший название закона ученого-Столетова. В 1889 году с Гальваксом было обнаружено явление старения фотоэлементов так называемую фотоэлектрическую усталость. Столетов, основатель методов количественного исследования, дал последующим поколениям ученых мощный инструмент для глубокого изучения и изучения фотоэлектрического эффекта: лауреаты Нобелевской премии - немецкий физик Филипп Эдвард Антон Ленард и английский физик Джозеф Джон Томсон успешно пользовались этим инструментом.

B1905: талантливый и любопытный Альберта Эйнштейна, наконец, теоретически оправдывает появление фотоэлектрического эффекта. Эйнштейн в своей статье объясняет, что свет содержит пучки энергии, которые он назвал «квантом света». Сегодня мы называем эти фотоны «квантами». Теория Эйнштейна помогла объяснить, как фотоны могут генерировать электричество. В 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию за «вклад в теоретическую физику и особенно за открытие закона фотоэффекта».

В 1912-1916 годах американский физик Роберт Эндрюс Милликан смог экспериментально подтвердить теорию Эйнштейна. Для этого и ряда других мероприятий, связанных с измерением заряда электрона, в 1923 году он получил Нобелевскую премию по физике. Следящий важный и логичный шаг в развитии полупроводниковой технологии и фотогальваническая энергия была сделана в 1916 году польским ученым Яном Чохральским, который открыл процесс кристаллизации, названные впоследствии его именем. Дальнейшее развитие его работ было в сороковых годах двадцатого века, а в пятидесятые годы, сильно увеличили спрос на полупроводниковые приборы, которые широко используются в различных областях техники и радиоэлектроники.

В 1934 году были проведены исследования с тонкой пленкой оксида меди, которая была применена к медному аноду в качестве полупроводника. Катод этой электрической цепи также был покрыт полупрозрачной медной пленкой. Ученые подсчитали, что, работая с такой системой для преобразования энергии света в электрическую энергию, если пластины расположены горизонтально в перспективе, вы можете получить мощность около 26 Вт на квадратный метр.

В 1940 году Рассел Ол, лаборатория Белла, экспериментировала с основными образцами кремния и различными химическими составами. Образец при охлаждении дал трещину. Он пил и проводил эксперименты по уже нерегулируемой программе. И здесь Рассел Ол неожиданно обнаружил, что если осветить образец, то электроизмерительные приборы, подключенные в цепи, показывают изменения тока и напряжения. Дополнительная работа с кремнием уже полезна. В образцах кремниевого исследования с различными добавками были поставлены общие закономерности, что в конечном итоге привело к открытию p-n-переходов в полупроводниках.

В 1948 году была разработана первая концепция полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей на диодах Шоттки. В 1950 году Уильям Брэдфорд Шокли разработал теоретическую модель перехода p-n, создав тем самым основу для развития современных солнечных элементов. Для этой работы в 1956 году Уильям Шокли был удостоен Нобелевской премии за физику. В эти годы Bell Labs в Нью-Джерси был одним из лучших исследовательских центров в мире. В 1953 году ученые Дэрила Чапина, Кальвина Фуллера и Джеральда Пирсона впервые создали в мире кристаллические кремниевые солнечные элементы. Каждый из этих элементов имел активную поверхности около двух квадратных сантиметров. Эффективность первых фотоэлементов составляла всего 4%. Вдохновленные результатами, ученые продолжали работать над их созданием, и вскоре элементы были получены с эффективностью 6%.

В 1954 году: применение концентрации солнечного света использовалось в течение длительного времени и долгое время. У исследователей Bell Labs Дэрила Чапина, Кальвина Фуллера и Джеральда Пирсона добились 6%-ной эффективности этой первой кремниевой ячейки, а ранние солнечные панели были использованы для питания спутников на орбите вокруг Земли. 25 апреля 1954 года газета «Нью-Йорк таймс» на первой странице материала, посвященного сенсационным достижениям ученых. Через некоторое время была достигнута эффективность 11%, а в 1955 году эти элементы использовались в качестве источника энергии для телефонных усилителей. Совершенствовалась технологии производства фотоэлектрических элементов, а уже в 1958 году в Соединенных Штатах, а два месяца спустя, были представлены СССР, запущенные на орбитальные спутники Земли, аппаратура, который частично питается панелями солнечными. В 1958 году Vanguard I был запущен с шестью солнечными батареями мощностью около 1 Ватта(1Вт).

В 1963 году исследовательские лаборатории по всему миру продолжают улучшать эффективность фотоэлектрических элементов, но маркетинг идет очень медленно. Однако в 1963 году Sharp успешно начал промышленное производство солнечных батарей, что увеличивает доступность солнечных батарей для обычных потребителей, т.е. не только для космического области.

1970-е: Нефтяной кризис 1973 года заставляет людей вкладывать деньги в исследования солнечной энергии. Доктор Эллиот Берман, финансируемый корпорацией Exxon, разрабатывает более дешевую солнечную панель, цена которой уменьшается со 100 долларов за ватт до 20. Берман обнаружил, что использование в производстве солнечных батарей поликристаллов обходится гораздо дешевле, чем монокристаллов. Однако, при этом страдает и эффективность. Даже сейчас поликристаллические солнечные батареи дешевле, но и менее эффективны, чем монокристаллические. Первое практическое использование усовершенствованных солнечных батарей на основе арсенида галлия для энергетических целей было связано с обеспечением электроснабжения советских космических аппаратов, работающих в окрестностях планеты Венеры, а также самоходных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2», исследовавших поверхность Луны (1970 и 1972 годы). Новая страница в истории солнечной энергетики открылась с созданием солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs-GaAs. Поскольку такие гетерофотоэлементы оказались к тому же и более радиационно-стойкими, они быстро нашли применение в космической технике, несмотря на значительно более высокую стоимость по сравнению с кремниевыми фотоэлементами (советская станция «Мир»).

В 1974 году была создана Ассоциация солнечной энергии (SEIA), которая занимается разработкой, внедрением и продвижением солнечной энергии из Соединенных Штатов. Основная задача организации заключалась в создании уникальной и прибыльной отрасли. А в1977г. Министерство энергетики США открывает Исследовательский институт солнечной энергии, который позже станет Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL). Лаборатория получает ежегодное финансирование от Конгресса США, используемого в проектах и разработках.

1980: ARCO Solar становится первой компанией, производящей 1 мегаватт солнечных панелей в год. Два года спустя в Калифорнии компанией был реализован первый проект солнечной электростанции мощностью 1 мегаватт. Позже, после серии слияний и поглощений, ARCO становится компанией SolarWorld. До середины 1980-х годов совершенствование солнечных элементов на основе кремния и арсенида галлия осуществлялось на основе относительно простых структур и простых технологий. И с середины 1980-х годов были предложены структуры фотоэлементов, которые могут уменьшить как потери оптической, так и рекомбинационной. В 1986 ARCO Solar производит первый тонкопленочный коммерческий солнечный модуль (из аморфного кремния). Шесть лет спустя Университет Южной Флориды добился эффективности тонкопленочных солнечных модулей на 15,9% с использованием теллуридных модулей кадмия (сейчас достигнуто 22%).

С начала 1990-х годов. В практике создания солнечных концентрационных систем появилось новое направление, основанное на концепции малоразмерных модулей, с учетом повышения их эффективности.

2. История исследования эффективности солнечных батарей

2.1 Фотоэлементы в солнечных панелях-Солнечные батареи - устройство и принцип работы

Первые солнечные батареи были использованы в 1957 году в завоевании космоса. Они были установлены на спутник для преобразования солнечной энергии в электрическую, что необходимо для работы спутника. При создании солнечных элементов используются полупроводниковые материалы, обычно кремний.

Принцип солнечных элементов основан на фотоэлектрическом эффекте - преобразовании световой энергии в электричество. Когда солнечная энергия попадает в неоднородный полупроводник (неоднородность может быть получена различными способами, например, путем легирования), там создаются несбалансированные носители заряда обоих типов. Когда эта система подключена к внешней цепи, можно «собрать» электроны, соответственно создавая электрический ток. Существует много эффектов, которые отрицательно влияют на значение полученного тока (например, частичное отражение солнечных лучей или их диффузии), так что исследовательская работа по созданию наиболее подходящего материала очень актуальна на сегодняшний день[3].

Энергия солнечного света преобразуется в электрическую энергию в результате pn-перехода, также называемого переключающими проводниками типа pn-перехода от одного к другому. Кстати, pn-переход представляет собой полупроводниковый сердечник - если вы удалите крышку транзистора и поместите ее на солнечный свет, то, используя вольтметр, вы можете обнаружить выход очень слабого электрического тока. Происходит следующее: фотоны проникают в полупроводниковые пластины, содержащие кристаллы кремния. Каждый из фотонов деформирует по одному орбитальные электроны вокруг атомов, а высвобожденные электроны образуют электроэнергию.

С момента создания первых образцов солнечных батарей их принцип работы остался неизменным - меняются только материалы и конструкция, которые позволяют повысить коэффициент фотоэлектрического преобразования и КПД.

Фотоэлементы в солнечных панелях

Солнечные элементы - это большие модули по площади, которые собраны из отдельных элементов. Эти элементы - это обычно небольшие пластины (в среднем размеры 130 х 130 мм), припаянные к нему контактами. Эта форма энергии полностью экологически чиста, потому что нет токсичных или опасных атмосферных выбросов они не загрязняют воду или почву, они даже не имеют опасного излучения. Кроме того, это очень надежный альтернативный источник энергии - ученые подсчитали, что солнце будет сиять несколько миллионов лет. Кроме того, энергия солнца абсолютно свободна и бесплатна. Другое дело, конечно, что создание солнечного элемента - довольно дорогостоящая процедура.

Но этот вопрос имеет недостаток. Хотя энергия солнца свободна и огромна, она непостоянна. Работа солнечных элементов сильно зависит от погоды. В пасмурную погоду количество произведенного электричества падает несколько раз, а ночью оно полностью прекращается. Стремясь справиться с этим, ученые разработали все возможные аккумуляторы. Но с зарядом этих огромных солнечных станций батареи не могут оставаться дольше часа. Поэтому использование солнечных батарей возможно только при стабильном источнике электроэнергии. Солнечные батареи распространены в субтропических и тропических регионах. Количество солнечных дней в странах этих регионов является максимальным, следовательно, максимальный и количество произведенной электроэнергии[6].

В самых безоблачных регионах строят целые ГЕЭС гелиоэлектростанции. Современные фотоэлементы имеют топографические размеры 103 x 103 мм, 125 x 125 мм и 156 x 156 мм. Естественная форма кремниевых пластин - это диск для сборки в панели, это неудобно. Поэтому пластины имеют восьмиугольный или прямоугольный формат. Тем не менее, почти невозможно собрать солнечную панель только из элементов полного размера, частично используются их фракции - половина, третья, четверть и 1/6. Толщина кристаллов кремния составляет 180-220 мкм(микрометров). Поверхность солнечных элементов, обращенных к солнцу, наносится специальной текстурой и антиотражающим покрытием, что минимизирует отражательную способность солнечных лучей[2].

Кремниевые элементы для солнечных панелей состоят из двух полупроводниковых пластин. Наружная пластина образована из расплавленного кремния с добавлением специфической примеси, а внутренняя - из кристалла чистого кремния и подвергается нескольким стадиям обработки. Ввиду небольшого размера производительность одиночного фотоэлемента очень низка, поэтому они собираются в панели, соединяя друг с другом параллельно или последовательно. Когда элементы подключены параллельно, на выходе достигается более высокое напряжение, а когда последовательно-высокие значения тока достигаются. Для увеличения обоих значений объединяются средства для подключения фотоэлементов в шкале солнечной батареи. Обратите внимание, что комбинация параллельных и последовательных соединений может снизить угрозу полного отказа группы фотоэлементов, когда один из них разрушается.

Эффективность современных кремниевых фотоэлементов (также основанных на арсениде галлия) довольно высока (их эффективность достигает 10-20%), и чем выше эффективность, тем меньше поверхность, требуемая для солнечных батарей, или даже даже несколько десятков квадратных метров. Одним из основных достижений полупроводниковой промышленности является разработка кремниевых фотоэлементов с эффективностью до 40%. Последним важным направлением в развитии солнечной энергии является создание более дешевых и практичных фотопреобразователей: поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Наиболее эффективными из них были алюминий-галлий-мышьяк, и его промышленное развитие только начинается. Большая перспектива открыта гетероструктурными полупроводниками, эффективность которых вдвое больше, чем у простых образцов кремния. За открытие гетероструктур и их внедрения продолжатель работ А.Ф. Иоффе академик Ж.И. Алферов получил в 2000 году Нобелевскую премию в 2000 году (см. №4 «Наука и жизнь», 2001). Известно, что солнечные элементы (фотовольтаические клетки) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs) имеют один из солнечных элементов выше кремния, теоретический эффект, так как ширина Запрещенная область практически не отличается от оптимальной полосы пропускания для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии = 1, 4 эВ. Для кремния этот показатель равен 1,1 эВ.

Из-за более высокого уровня поглощения солнечной радиации определяются прямыми оптическими переходами GaAs, высокоэффективные солнечные элементы на их основе могут быть получены при отношении, существенно меньшем толщины солнечных элементов при кремний. В принципе, достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм с эффективностью (КПД) около 20%, тогда как толщина кремниевых элементов может составлять менее 50-100 мкм без значительного снижения их эффективности. Это обстоятельство позволяет полагаться на создание пленки ГФП легкого, получение которой требует относительно небольшого количества исходного материала, особенно в том случае, когда в качестве подложки удастятся не использовать GaAs, а другой материал, такой как синтетический сапфир (Al₂O₃).

ГФП также имеют более благоприятные требования в отношении преобразования характеристик производительности СЭС по сравнению с кремниевыми солнечными батареями. Так, в частности, возможность получить низкие начальные обратные токи насыщения в р-п-перехода из-за большой ширины запрещенной зоны, чтобы свести к минимуму величину отрицательного градиентов температуры эффективность и мощность оптимально ГФП и, кроме того, значительно расширяет область линейной зависимости от плотности светового потока. В зависимости от экспериментальной температурной эффективности кпд ГФП от температуры предполагает, что увеличение равновесной температуры до 150-180° C не приводит к значительному снижению их эффективности и оптимальной плотности мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70° C практически критическое - эффективность уменьшается наполовину.

В целом можно сделать вывод, что энергетические, массовые и эксплуатационные характеристики ГФП на основе GaAs более соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космических), чем к характеристикам ФЭП кремния. Однако кремний гораздо более доступен и контролируется при производстве материалов, чем арсенид галлия. Кремний широко распространен в природе, а запасы сырья для создания ФЭП на его базе практически безграничны. Технология производства кремния ФЭП хорошо развита и постоянно совершенствуется.

2.2 Типы фотоэлементов

Основным материалом, используемым при их строительстве, является кремний. 80% фотоэлементов, производимых сегодня, являются монокристаллическим кремнием и поликристаллическим, а остальные - аморфным кремнием. Кристаллические и аморфные элементы можно отличить по их цветности: первые, как правило, имеют синий цвет; Цвета вторых меняется при изменении угла зрения.

Монокристаллический кремний: эти фотоэлементы характеризуются высокой эффективностью - около 14%, их срок службы самый длинный - в среднем 18-20 лет. С самого начала разработки монокристаллов кремния в середине прошлого века технология их производства была доведена до мельчайших деталей. Элементы на монокристаллах дороги, и это их главный недостаток. Кроме того, они чувствительны к затенению, что приводит к снижению мощности[8].

Поликристаллический кремний: они образованы прогрессивным охлаждением кремниевого расплава. Ресурс и эффективность ниже, чем у монокристаллов - 10 лет и не более 12%. Однако стоимость поликристаллических фотоэлементов ниже, потому что они требуют меньше энергии и менее чувствительны к временному затенению.

Аморфный кремний: аморфные кремниевые фотоэлементы создаются путем осаждения на подложке кремниевой пленки толщиной не более одного микрометра с последующим защитным покрытием. Они эффективны даже при слабом освещении, а гибкость обеспечивает им высокую защиту от механических воздействий. Преимущества аморфных кремниевых фотоэлементов - низкая стоимость с учетом минимальных производственных затрат энергии и простой технологии исполнения, допустимость создания элементов большой площади. Недостатки - КПД не превышает 7-8%, срок службы почти 10-15 лет.

В дополнение к кремниевым фотоэлементам существуют типы тонких слоев, где Si не используется:

CIS (CIGS).Первый подтип представляет собой комбинацию селена, меди и инди, во второй подтип входит и галлия. По сравнению с тонкопленочными элементами аморфного кремния их производительность выше и составляет около 11%. Фотоэлементы на основе меди-индия и меди-галлия очень эффективны в облачную погоду, они хорошо работают под рассеянным светом солнца. Под лучами солнца они деградируют медленнее, чем кристаллические элементы.

CdTe. Элементы теллурида кадмия имеют КПД 11-12%. Один из серьезных недостатков - кадмий токсичен. Но, по словам разработчиков, содержание кадмия в фотоэлементах не большое, поэтому продукты не могут нанести вред окружающей среде.

2.3 Развития рынка солнечной энергетики

За Разработку солнечных элементов, предназначенных для выработки электроэнергии от солнечного света, в Соединенных Штатах, следила компании Hoffman Electronics Corp. В период с 1954 по 1960 год его дизайнерам удалось увеличить производительность гелиопанелей с 2% до 14%. Однако коммерческий успех новых батарей был сомнительным - стоимость ватт энергии, полученной от солнечных батарей в полном солнечном свете, составляла около 250 долларов США в те годы. Производство электроэнергии с использованием ТЭЦ было намного выгоднее - цена «угольного» ватта распределялась не более чем на 2-3 доллара[8].

Хоффман Лес, владелец компании-разработчика фотогальванических элементов (geliopaneley), удалось получить контрактную космическую армию и оснащен небольшими солнечными батареями Vanguard-1 для спутников США (запущен в 1958 году), которые на момент написания этой статьи, по-прежнему регулярно служит своим создателям на орбиты Земли. Эффективность гелиопанелей в энергоснабжении космического аппарата была настолько высокой (первоначально поставленная на аккумуляторные батареи, солнечные элементы считались сомнительным источником энергии), что что для спутника Explorer 6 (запущенный в 1959 году) Hoffman был награжден за создание базового питания. Так были знаменитые складные доски, брызговики, которые затем были оснащены большинством спутников.

За исключением космической промышленности и нескольких дорогостоящих электромеханических производителей игрушек, 50 лет назад, никто солнечные панели не интересовали, несмотря на снижение стоимости ватта в 1971 году до 100 $, с появлением интегрального интереса микросема. Особенности в энергетическом плане показали Exxon. По мнению её аналитиков, динамика роста цен на энергоносители за 30-40 лет станет очень интересной для солнечной энергетики, и гелиопанели принесут ощутимые выгоды. Совет директоров Exxon привлек к исследованиям Elliot Berman с конца 1960-х годов в области солнечной энергии. Берман создал технологию печатных ячеек, которая снизила стоимость ватта, производимого солнечными батареями, с $ 100 до $ 20 всего за два года - с 1970 по конец 1972 года.

В начале XXI века американские компании, лидеры рынка фотоэлектрических преобразователей, перенесли свои производства в Китай. Параллельно с более низкими издержками производства эта мера снизила цены в 2012 году до 2 долл. США за ватт номинальной мощности.

Динамика стоимости проектов солнечных электростанций в мире, млн. Долл. США за 1 МВт [11]

Динамика суммарного объема установленной мощности солнечных электростанций в мире, ГВт [11]

В 2017 году глобальная установленная мощность солнечной энергии в мире превышает 403 ГВт. Мировыми лидерами являются Китай, США, Япония, а затем Германия, Индия и другие.

Заключение

На самом деле, свободная и бесконечная солнечная энергия настолько широко распространена на Земле, что, если «взять» только 2% от ее, этого будет достаточно, чтобы обеспечить человечество светом и теплом на протяжении многих тысячелетий. Но люди еще не научились полностью использовать этот щедрый дар природы, они делают лишь первые шаги в создании солнечной энергетики.

Среди возможных «преемников», которые могут подхватить эстафету у традиционной энергетики, наиболее привлекательно среди альтернативных источников является энергией Солнца, возобновляемая и экологически чистая, поскольку она поступает к Земле на миллиарды лет и все Земные процессы уже с ней свыклись. Потоки солнечной энергии просто должны взять под контроль и максимально использовать ее, сохранив тем самым уникальный и неизменный климат Земли.

Использование электроэнергии от солнечных батарей выгодно не только из-за дешевизны, но и тем, что они не вредят окружающей среде. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к использованию нетрадиционных, альтернативных источников энергии. Понимая это, многие государства сейчас пытаются инвестировать в солнечную энергию огромную сумму денег.

Главной задачей солнечной технологий остается в улучшении коэффициент полезного действия(КПД) солнечных элементов, и также в повышении эффективности различнычных аппаратов используемых в солнечных электростанциях как инверторы напряжения, аккумуляторные батарей и контролеры заряда.

Источники

1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций), 2004

2. Байерс Т., 20 конструкций с солнечными элементами, Перевод с английского. - Москва: Мир, 1988. - 197 с. с иллюстрациями.

3. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К., CОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.И. Виссарионова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008

4. История развития солнечной энергетики. [Электронный ресурс] URL: https://studopedia.ru/17_86108_istoriya-razvitiya-solnechnoy-energetiki.html (дата обращения: 17.03.2018).

5. История фотовольтаики и создания солнечных батарей. [Электронный ресурс] URL: http://solarb.ru/istoriya-fotovoltaiki-i-sozdaniya-solnechnykh-batarei (дата обращения: 14.04.2018).

6. Мак-Вейг Д., Применение солнечной энергии, Москва: Энергоиздат, 1981

7. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - 3-е изд. испр. - М.: Наука, Гл. ред. физ. - мат. лит., 1987.

8. Солнечные батареи - энергия Солнца в электричество. [Электронный ресурс] URL: http://www.domastroim.su/articles/electro/electro_1487.html (дата обращения: 14.04.2018).

9. Тихонов А.В., И.И. Тюхов, Л.Ю. Юферев, М.А. Шахраманьян.

Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики. Мультимедийный учебно-методический комплекс по физике для повышения квалификации педагогического состава московских учреждений общего образования, НПО «СОДИС». Москва, 2009

Размещено на Allbest.ru