УДК: 629.7.064.56

 

Байнеке А.А. магистрант, Жексембиева Н.С. к.т.н.

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им.Жангир хана, Уральск

 

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРИ КОНЦЕНТРИРОВАННОМ СОЛНЕЧНОМ ИЗЛУЧЕНИИ

 

Солнечная энергетика, начав активно развиваться с конца 60-х годов прошлого века с запуском первых спутников и началом космической эры, в настоящее время стала одной из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности. Если на конец 2009 года она занимала в структуре мирового производства электроэнергии около 1%, то к середине XXI века, по прогнозам экспертов Международного энергетического агентства (IEA), при сохранении современной динамики развития, может достигнуть 25%.

Из известных способов преобразования энергии Солнца в электрическую наиболее эффективный и проверенный — фотоэлектрический, с помощью полупроводниковых солнечных элементов. Впервые фотоэффект, возникновение электрического тока при поглощении света веществом, наблюдал в электролитической ячейке А. Беккерель в 1839 г. А. Эйнштейн в 1905 г. объяснил законы фотоэффекта, сформулированные А.Г. Столетовым, квантовым характером излучения и поглощения света. В 30-х годах ХХ века в Ленинградском физико-техническом институте были созданы первые в мире сернисто-талиевые фотоэлементы с эффективностью или КПД около 1%. Кремниевые солнечные фотоэлементы (СФЭ) с КПД около 5% заработали в 1958 г. на советском и американском искусственных спутниках Земли.  Фотоэлектрический эффект, лежащий в основе работы полупроводникового фотоэлемента (ФЭ), состоит в том, что в веществе при облучении светом появляются носители тока электроны и дырки, которые собираются на соответствующих электродах ФЭ. Например, в неорганических полупроводниковых ФЭ разделение зарядов выполняют с помощью p-n или гетеропереходов. Первые ФЭ на основе гетеропереходов были разработаны в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе АН СССР более 45 лет назад. Сегодня лабораторные СФЭ такого типа имеют кпд более 40% и включают десятки слоев с соответствующими гетеропереходами. Такие структуры очень дороги, их коммерческое применение может быть оправдано только при использовании концентраторов солнечной энергии.  Как уже отмечалось, широкое применение неорганических СФЭ сдерживает относительно дорогая технология производства и обработки неорганических полупроводников, требующая высоких температур и глубокого вакуума. В связи с этим для создания новых типов дешевых СФЭ возрастает интерес к органическим материалам. Исследователей стимулируют два обстоятельства. Во-первых, природные фотосинтетические органические системы в растениях и бактериях блестяще справляются с задачей преобразования солнечной энергии. Зеленый лист — настоящая мини-фабрика по производству энергии из солнечного света, где хлоропласты обеспечивают кпд до 8—9%. Поэтому, есть надежда создания их искусственных аналогов на основе органических и гибридных (т.е. сочетания органических и неорганических) материалов. Во-вторых, органические соединения, как правило, не содержат редких химических элементов и могут быть весьма технологичны, а значит, заметно дешевле неорганических материалов. Ниже будут рассмотрены основные подходы к разработке органических и гибридных СФЭ.

Идея разработки экономически эффективных фотоэлектрических преобразователей

солнечной энергии для наземных нужд стала основной целью исследователей многих стран, начиная с 1970-х годов. Были проведены исследования в следующих трех направлениях:

1. Разработка кристаллических (или поликристаллических) фотоэлектрических преобразователей (солнечных элементов) с высоким коэффициентом полезного действия (КПД).

2. Разработка тонкопленочных фотоэлектрических устройств.

3. Разработка систем концентраторов солнечных лучей.

Первый подход, включающий в себя исследование материалов, новых физических явлений, а также разработку эффективных структур, позволяет повысить КПД солнечных элементов, следовательно, производить экономически эффективные фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии. Второй подход позволяет генерировать электрическую энергию путем применения сравнительно дешевых тонкопленочных некристаллических материалов. Третий подход позволяет путем применения сравнительно недорогих линз или зеркал концентрировать солнечную энергию на сравнительно небольшой поверхности монокристаллических солнечных элементов, тем самым уменьшая влияние высокой цены полупроводниковых солнечных элементов на общую стоимость фотоэлектрического преобразователя. Как показывают прогнозы, концентраторные системы, по сравнению с первыми двумя подходами, будут иметь наименьшую стоимость в течение сравнительно продолжительного времени [1].

Основное функциональное назначение концентрирующей системы в общем случае — повышение плотности потока солнечного излучения до уровня, обеспечивающего его эффективное и экономичное преобразование в энергию требуемого вида [2]. Интегральным показателем, характеризующим эту функцию системы, является средний коэффициент концентрации КС, который определяется как отношение среднего значения плотности сконцентрированного лучистого потока на приемнике Ееср к поверхностной плотности солнечного излучения в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, ЕС:

.                 (1)

Характерные для солнечных энергетических установок оптимальные значения КС лежат в диапазоне от единиц до сотен. При концентрировании солнечного излучения не только повышается его плотность, но и изменяется распределение в пространстве, а следовательно, и на луче воспринимающих поверхностях. Поверхностная облученность Еев общем случае характеризуется функцией вида:

,     (2)

где хп, уп, zп– координаты точки приемника.

Также она может характеризоваться соответствующим распределением значений локального коэффициента концентрации солнечного излучения:

   .        (3)

Это распределение является основной энергетической характеристикой концентрирующей системы.

Требования к распределению плотности сконцентрированного излучения существенно зависят от типа преобразователя, особенностей организации рабочих процессов в его элементах и их конструкции. В фотоэлектрических установках, содержащих множество последовательно и параллельно соединенных элементов, которые должны работать в одинаковых условиях, с целью уменьшения схемных потерь необходимо обеспечивать равномерное облучение всех элементов, т.е. должно выполняться условие Ке(хп, уп, zп) ≈ const. Если же фотоэлектрическая установка состоит из отдельных модулей, каждый из которых содержит один элемент, объединенный с концентратором, требование его равномерности облучения не является обязательным, а в некоторых случаях даже желательно обеспечить определенным образом заданную неравномерность распределения плотности лучистого потока на элементе. Соответственно различной будет и чувствительность характеристик к изменению распределения облученности на элементе в процессе эксплуатации установки за счет неточной ориентации концентраторов на Солнце, действия на них различного вида нагрузок (ветровых, инерционных) и других факторов. Все эти обстоятельства учитываются в комплексе при выборе типа и параметров концентрирующей системы.

Системы концентрирования солнечного излучения (КСИ) относятся к классу оптических систем, но по назначению принципиально отличаются от оптико-информационных систем этого класса, которые служат для получения качественного изображения наблюдаемых объектов. По функционально-целевому признаку системы КСИ могут быть определены как оптико-энергетические системы, предназначенные в общем случае для повышения плотности потока лучистой энергии при его одновременном пространственном и спектральном перераспределении. Этим в значительной мере обусловлено и различие требований к характеристикам систем КСИ и оптико-информационных систем.

По уровню повышения плотности солнечного излучения или степени его концентрирования, характеризуемой значением КС, системы КСИ с определенной условностью можно разделить на слабоконцентрирующие (КС< 100) и сильноконцентрирующие (КС≥ 100) системы. Дополнительным классификационным признаком здесь может служить степень равномерности распределения плотности сконцентрированного излучения Ееили локального коэффициента концентрации Кена приемнике, которая характеризуется соответствующими производными по направлениям (dEe/dx, dKe/dx и т.п.). По этому признаку различают системы КСИ, обеспечивающие равномерную и неравномерную облученность СЭ. По предварительным экспериментальным данным концентратор гелиоустановки «ЛУЧ» можно отнести к слабоконцентрирующим и обеспечивающим неравномерную облученность поверхности приёмника.

По характеру взаимодействия излучения с оптическими элементамисистем КСИ подразделяют на отражающие (зеркальные) и преломляющие (линзовые) системы.

По воздействию на спектральные характеристики сконцентрированного излучения различают селективные и неселективные системы. Здесь всё зависит от исполнения поверхности приёмника, если с селективным покрытием, то первое, если поверхность обычная, то второе.

В       кремниевых        фотоэлектрических преобразователях, оптимизированных для работы с неконцентрированным солнечным излучением, при небольшом повышении интенсивности излучения (при Кс = 2–3) КПД начинает уменьшаться, и это снижение составляет 20–30%.

В конструкциях солнечных элементов, специально разработанных для преобразования концентрированного солнечного излучения, основное внимание обращалось на снижение омических потерь при сохранении высоких значений фототока и рабочего напряжения[3].

В концентрированном солнечном излучении равновесная температура фотоэлемента может превышать 100 °С. Увеличение рабочей температуры сопровождается уменьшением ширины запрещенной зоны, что дает некоторое увеличение фототока за счет расширения спектра фотоответа в длинноволновую область. Однако это увеличение фототока не компенсирует уменьшения Uхх вследствие экспоненциального увеличения тока насыщения с ростом температуры, что приводит к существенному снижению КПД при увеличении температуры. В вертикальных кремниевых солнечных элементах, так же как и в планарных, наблюдается уменьшение температурного коэффициента КПД при увеличении Кс. Ниже приведена температурная характеристика кремниевых фотоэлектрических преобразователей.

 

 

Рис. 1. Зависимости КПД солнечных элементов на основе Si от температуры при различных степенях концентрирования солнечного излучения

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.  Р.Р. Варданян, Г.А. Мартиросян, В.К. Даллакян. Разработка экономически эффективных фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии//Изв. НАН РА и ГИУА. Сер. ТН. 2004. № 2.С. 281–286.

2.  Янчилин П.Ф. Оптические параметры концентратора гелиоустановки “ЛУЧ”//Вестник Брестского государственного технического университета. 2013. №2. С. 72–77.

3.  А.А. Таран, С.М. Воронин. Эффективность фотоэлектрических преобразователей в концентрированном солнечном излучении//Вестник аграрной науки Дона. 3(15)2011. С. 35–40.