СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Большинство возобновляемых видов энергии – гидроэнергия, энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия – характеризуются либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Существует еще один возобновляемый источник Солнце.

Солнце, звезда – желтый карлик, средняя звезда по своим характеристикам: массе, радиусу, температуре. Но эта звезда имеет уникальную особенность – это «наша звезда», и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде. Наше светило поставляет за Землю мощность 10¹⁷Вт – такова сила «солнечного зайчика» диаметром 127 000км, который освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнцев зените, составляет 1КВт/м².

Для крупномасштабной электроэнергетики энергия Солнца, в настоящее время, едва ли пригодна:

1. Из-за малой удельной мощности солнечной радиации,
2. Из-за использования больших площадей земной поверхности,
3. Из-за дороговизны и больших материальных и трудовых затрат. ( стоимость 1КВт мощности с использованием солнечной энергии по грубым прикидкам порядка 10 000руб, в то же время с использованием ГЭС – 350руб, с использованием ТЭС – 200 руб.).

Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:

1. - прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);

2. - фотоэлектрическое (прямое) преобразование солнечной энергии в электрическую.

Тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования и широко используется в южных районах России в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.д. Концентрация солнечной энергии осуществляется на гелиоприемнике с помощью плоских , сферических или параболлоидных зеркал. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем солнечной радиации, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы горячего водоснабжения.

В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т.е. вырывание электронов из того или иного материала под действием света. Различают внешний и внутренний фотоэффект.

При внешнем фотоэффекте (рис.160), свет проникает в вакуумированный сосуд и освещает катод К, изготовленный из металла. Фотоны света выбивают из металла «связанные» электроны. В пространстве К-А появляются носители электрического заряда. Под действием электрического поля эти электроны перемещаются и попадают на анод. В результате электрического замыкания промежутка К-А во внешней цепи появляется электрический ток (фототок), который фиксируется гальванометром G или микроамперметром.

Рис.160 Схема для исследования зависимости фототока от напряжения и силв света

Согласно теории Эйнштейна фотоэффект объясняется следующим уравнением

(12-7)

где h=6,6 10^-34Дж с – постоянная Планка.

При внешнем фотоэффекте электроны из металла вырываются и переходят в другую среду, в частности в вакуум. Кроме этого существует и внутренний фотоэффект, при котором в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещаемого тела. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к изменению электропроводности вещества под действием света. Внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. На основе этого явления работают материалы, называемые фоторезисторами. В качестве фоторезисторов используются соединения кадмия (Cd) или свинца (Pb) с селеном (CdSe,PbSe) или серой (S) (СdS или PbS). Основу фотоэлемента с внутренним фотоэффектом составляет полупроводниковая структура с p-n переходом, возникающая на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Получают различные типы проводимости путем введения в полупроводник примесей. Так введенные в кристаллическую решетку кремния атомов (Ga,In) придают кремнию дырочную проводимость, а примеси (As, Sb) – обеспечивают в кремнии

При освещении полупроводника светом возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоЭДС необходимо, чтобы полупроводник был неоднородным. Наиболее эффективное разделение имеет место в области p-n перехода (см. рис.161). Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-проводнике и электроны в p-проводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, где они становятся основными носителями. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p- областями возникает разность потенциалов – фотоЭДС.

Рис. 161 Схема работы солнечного фотоэлемента.

Электроны и дырки концентрируются на разных концах неоднородного полупроводника, вследствие чего и возникает ЭДС, благодаря которой на внешней нагрузке возникает электрический ток. Таким образом, достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую.

Основные промышленно выпускаемые типы таких фотоприемников работают на основе селена, кремния, германия и ряда соединений – GaAs, InSb,CdTe . Фотогальванические элементы, используемые для преобразования солнечной энергии в электрическую, приобрели широкое применение в космических аппаратах как источники бортового питания. Они обладают относительно высоким КПД (до 20%), весьма удобны в условиях автономного полета космических аппаратов. Для повышения рабочего напряжения (с исходным напряжением отдельного элемента 1-2В) отдельные элементы соединяются последовательно в батарею.

Солнечную энергию из- за низкой плотности солнечной радиации и зависимости от состояния атмосферы (облачности) и времени года использовать затруднительно. Но возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках (рис. 162 ). В этом случае солнечная энергия может аккумулироваться в течение 24 часов и, следовательно, не будет зависеть от облачности. Передача энергии на Землю должна в этом случае осуществляться по каналу УКВ (длина волны порядка 10см, частота ≈ 3000Мгц). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, и затем энергия может быть преобразована в энергию промышленной частоты

Рис.162 Принципиальная схема СКЭС