Производство электроэнергии

Прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию осуществляется фотоэлементами (ФЭП), совокупность которых образует фотоэлектрическую панель, либо модуль.

Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с p-n - переходом (Рис. 7), которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Рис. 7. Фотоэлектрический преобразователь с p-n–переходом

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов, со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом.

Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е. электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда – фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными.

По специфики изготовления различают монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные (аморфный кремний) солнечные фотоэлементы,модули которых характеризуются разными значениями КПД (Табл. 2).

Таблица 2. Сравнительная характеристика КПД солнечных фотоэлементов

По состоянию на 2011 г. 85% производимых в мире солнечных модулей изготавливается из кристаллического кремния и только 15% – на основе тонких пленок.

Подобная ситуация на рынке гелиоэнергетики вызвана критическим недостатком аморфных фотоэлементов – деградацией (Staebler–Wronski effect (SWE)), эффект которой заключается в стремительном снижении их мощности в первые месяцы эксплуатации, достигающий 30-40%. На этом процесс деградации не останавливается, но протекает уже с меньшими темпами, что тем не менее за 8-9 лет приводит модуль в полную негодность. Кроме того, данные солнечные панели имеют больший размер (на 30-40 %) при существенно меньшей мощности.

Несмотря на это, по оценкам специалистов, тонкопленочная технология очень перспективна, так как модули на основе аморфного кремния имеют более низкую стоимость процесса производства (в пределах 25 %), отличные характеристики преобразования в условиях низкой освещенности, а также меньше подвержены перегреву, из-за которого другие модули теряют 15-20% мощности. Вследствие этого они генерируют на 10% больше энергии в год, чем кристаллические, без учета деградации. Однако на текущий момент солнечные модули данного типа не отвечают одному из наиболее важных критериев - долговечность, что делает их покупку весьма сомнительным вложением средств.

В настоящее время на стадии разработки находится принципиально новая технология тонкопленочных модулей, что может значительно способствовать их массовому распространению за счет удешевления и увеличения энергоемкости. Ее идея заключается в создании пленочного композитного материала, в состав которого входят металлические наночастицы, придающие ему свойства фотоэлемента.

Такие солнечные батареи работают на иных принципах, нежели обычные кремниевые фотоэлементы. Это и позволяет добиться почти полной прозрачности панелей, которые можно использовать для покрытия оконных стекол. Конечно, некоторое количество света они будут поглощать в любом случае, чтобы вырабатывать энергию, но затемнение будет практически незаметным для глаза. Покрывать этой пленкой можно и прочие поверхности зданий, причем здесь она может быть и более темной, поглощая и превращая в электроэнергию большее количество солнечного излучения. Принципиально действенность новой технологии уже продемонстрирована. Следующая задача ученых и разработчиков – доработать ее, чтобы достичь эффективности как минимум 20%, которая обеспечит экономическую целесообразность ее использования. Коммерческая версия инновации будет представлена не ранее 2016 года.

Наиболее надежной и проверенной временем является технология кристаллического кремния, и хотя данные фотоэлементы также подвержены эффекту деградации, составляющей в среднем 20 % за 20-25 лет, она обеспечивает стабильную и длительную работу солнечного модуля. Почти 100% сетевых солнечных электростанций введенных в эксплуатацию в 2011 году во всем мире, построены на основе именно кристаллических солнечных модулей.

В настоящее время во многих исследовательских центрах ведутся работы, направленные на повышение КПД ФЭП за счет создания слоевых (каскадных) структур, обеспечивающих более полное преобразование энергии солнечного излучения во всем его спектре, а также на снижение стоимости полупроводниковых материалов и ФЭП в целом. Ожидается, что в обозримом будущем КПД промышленных ФЭП может быть увеличен до 30—35% (в лабораторных условиях достигнуты рекордные КПД на уровне 40%), а их стоимость в модулях уже в ближайшие годы может стать менее 1 долл./кВт.

Необходимо отметить, что стоимость электричества, получаемого от фотоэлектрических систем электроснабжения, проявляет четкие тенденции к снижению. Так если в конце 80-х годов прошлого века, на заре развития отрасли, солнечнее батареи промышленного образца генерировали электричество стоимостью 2 долл. за , то на сегодняшний день этот показатель снизился до отметки в 0,3 долл., а к 2020 году (по мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA)) можно рассчитывать на трехкратное снижение стоимости вырабатываемой электроэнергии – для крупных фотоэлектрических энергосистем промышленного назначения, и на двукратное снижение – для бытовых «солнечных» установок.

Солнечное холодоснабжение

Преобразование энергии солнечного излучения в холод осуществляется посредством применения пассивных и активных систем, принципиальные конструктивные различия и особенности которых аналогичны соответствующим системам теплоснабжения, представленным ранее. Поэтому перейдем сразу к классификации и рассмотрению систем активного холодоснабжения.

Существуют три основных метода активного охлаждения:
- использование холодильных установок компрессорного типа;
- использование холодильных установок абсорбционных типа;
- охлаждение с использованием испарения.