Возобновляемая энергия. Раздел 3. Солнечная фотовольтаика
Каталог первых двух разделов
1. Введение
В разделе 2 мы рассмотрели, как можно использовать солнечную энергию для производства электричества, вырабатывая высокотемпературную энергию. Эта энергия направлена на вращение двигателя, который вращает электрический генератор. В этой главе мы:
1. кратко обсудим историю и основные принципы фотоэлектрической конверсии энергии;
2. в основном сосредоточимся на устройствах, использующих монокристаллический кремний;
3. проанализируем возможность сокращения высоких затрат, которые в настоящее время возникают при получении электроэнергии от фотоэлектрического эффекта;
4. рассмотрим прямые методы производства электричества от солнечного излучения, а именно фотоэлектрическую конверсию солнечной энергии непосредственно в электричество в устройствах с высокими тепловыми нагрузками;
5. опишем электрические характеристики фотоэлектрических ячеек и модулей, роль фотоэлектрических систем выработки энергии в поставке электроэнергии в отдаленные регионы и возможности выработки электроэнергии для локальных и общих энергетических сетей государства;
6. рассмотрим экономические аспекты и влияние на окружающую среду фотоэлектричества;
7. определим доступность ресурсов от фотовольтаики и возможность поставки фотоэлектроэнергии в объединенные электросети;
8. определим перспективы развития фотоэлектричества.
2. Понятие «фотовольтаика»
Если бы стал вопрос создания идеальной системы конверсии энергии, то, вероятно, мы бы не нашли лучшего способа, чем получение энергии от солнечной фотоэлектрической системы (ячейки) (СФС). В этих устройствах используется источник энергии, который, безусловно, является самым обильным из доступных на планете. Ранее было указано, что при возможности полного использования всей энергии, которая попадает на Землю от Солнца, можно было бы получить энергии в 105 раз больше, чем от ископаемого и ядерного топлива.
Солнечные фотоэлектрические ячейки являются системой, состоящей почти полностью из кремния, одного из наиболее распространенных элементов на Земле. Эта система не имеет движущихся элементов и поэтому может функционировать неограниченное время без износа. И получение от этих систем электроэнергии является, вероятно, самой безопасной формой из всех возможных форм на сегодня.
3. Краткая история фотовольтаики
Термин «фотовольтаика» получен из сочетания слов греческого языка «свет», «фотография» и «Вольт», последнее обозначает единицу электродвижущей силы (ЭДС) - силы, которая вызывает движение электронов (т.е. электрический ток). Вольт был назван в честь итальянского изобретателя аккумулятора физика графа Александро Вольта. Фотоэлектрический, т.к. обозначает получение электроэнергии из энергии света.
Открытие фотоэлектрического эффекта обычно приписывают французскому физику Эдмонду Беккерелю, который в 1839 опубликовал статью, в которой были описаны его эксперименты с «мокрой ячейкой» батарейки. В ходе исследований он установил, что напряжение батарейки увеличивается, если ее серебряные пластины освещают солнечным светом.
Первое сообщение о фотоэлектрическом эффекте в элементах, которые находятся в твердом состоянии, появилось в 1877, когда два кембриджских ученых, Адамс У.Д. (W.G. Adаms) и Дей А.И. (R.E. Day), доложили на собрании Королевского Общества, что они наблюдали изменения в электрических свойствах селена, освещенного солнечным светом.
В 1883 Чарльз Эдгар Фритс (Charles Edgаr Fritts), нью-йоркский электрик, сконструировал солнечную селеновую ячейку, которая во многом аналогична современным кремниевым солнечным ячейкам солнечных батарей. Она состояла из тонкого слоя селена, покрытого сеткой очень тонких золотых нитей и защитным листом стекла.
Эскиз солнечной ячейки Чарльза Эдгара Фритса, запатентована в 1884 году в США
Но его ячейка была не очень удачна. Эффективность солнечной ячейки определяется в процентном соотношении от падающей на ее поверхность солнечной энергии к полученной электрической энергии. В представленной ячейке менее 1% солнечной энергии, падающей на ее поверхность, превращается в электричество. Однако селеновые ячейки нашли широкое применение в фотографии.
Основные причины низкой эффективности этих ранних устройств стали очевидны много лет спустя: в средине первой половины двадцатого столетия, когда некоторые физики, например, Планк и Эйнштейн, заложили новые представления о природе излучения и фундаментальных свойствах материи.
Это продолжалось до 50-х годов 20-го века, когда были созданы новые, высокоэффективные солнечные ячейки. Они были изготовлены в компании Bell Labs Нью-Джерси, США, где ученые, в том числе Деррил Чапин (Dаrryl Chаpin), Кэлвин Фуллер (Calvin Fuller) и Джеральд Пирсон (Gerald Peаrson), исследовали эффект влияния света на полупроводники. Это были неметаллические материалы, такие как, например, германий и кремний, электрические характеристики которых находились между электрическими характеристиками проводников с малым сопротивлением электрическому току и изоляторов, в которых поток электронов полностью заблокирован. Они получили название «полупроводники».
За несколько лет до того, в 1948 году, два других исследователя из Bell Labs, Бардин и Бреттан (Bаrdeen and Brаttаin), используя полупроводники, изобрели другое революционное устройство - транзистор.
Транзисторы были сделаны из полупроводников в чистой кристаллической форме (обычно из кремния) с небольшими добавками, например, бора и/или фосфора. Этот процесс, известный, как активация, значительно изменяет характеристики полупроводников.
В 1953 ученые Чапин, Фулер и Пирсон (Chаpin, Fuller,Peаrson), исследуя поведение активированного кремния при его освещении солнечным светом, установили, что он более эффективен при выработке электроэнергии из солнечной энергии, чем рассматриваемые ранее системы. В 1954 г. они опубликовали статью, что им удалось поднять эффективность солнечных ячеек до 6%. Исследователи этой лаборатории показали область практического применения солнечных ячеек на примере их включения в качестве усилителя для сельских телефонных сетей, но в то время они были слишком дорогими, чтобы их использовать в качестве источника мощности в каких-либо устройствах.
В 1958, однако, солнечные ячейки использовались в качестве усилителя для маленького радиопередатчика второго американского спутника «Авангард-1». После этой первой успешной демонстрации использование солнечных батарей, как источников энергии, для летательных аппаратов стало обыденным.
Международная космическая станция с установленными фотоэлектрическими солнечными батареями мощностью 10 кВт.
За последние несколько десятилетий наблюдается значительный прогресс в повышении эффективности и снижении стоимости солнечных батарей. Они широко применяются для поставки электроэнергии для телевидения, освещения и питания электрических установок в отдаленных местах, куда подведение электроэнергии обычными электросетями было бы слишком дорогим.
Единичная мощность одной солнечной ячейки обычно равна 1,5 Вт, поэтому, чтобы получить большую мощность, ячейки соединяют вместе, в одну батарею, в прямоугольные модули. Чтобы получить еще большую мощность, модули соединяют вместе и формируют массивы (солнечные поля).
Растущее число жилых, коммерческих и промышленных зданий частично обеспечивают свои потребности в электроэнергии установленными на них солнечными модулями. Кроме того, в США, Германии, Италии, Испании и Швейцарии установлены мощные, мегаваттные, солнечные фотоэлектрические батареи, которые вырабатывают электроэнергию в государственные электросети.
В настоящее время в лабораторных условиях была достигнута 24 % эффективность солнечных ячеек, выполненных из кремния. Лучшие коммерческие (серийные) кремниевые солнечные ячейки к 2003 году имели энергоэффективность 17%. За 10 лет (1993-2002 гг.) энергоемкость солнечных систем была увеличена в 10 раз от первоначальных, как и прогнозировалось (Appleyard, 2003). А стоимость ячейки по выработке одного «пикового» Ватта равна $4, а с учетом полной стоимости оборудования - $7 за один «пиковый» Ватт. Работы по усовершенствованию солнечных ячеек продолжаются.
Суммарная мощность солнечных батарей, установленных, согласно данных IEA, за 1992-2002 годы
(источник: Международное Энергетическое Агентство, 2003).
Примечание: данные на этом рисунке получены от 20 стран, рапортующих в Международное Агентство Энергетики - это наиболее «развитые» нации. В развивающихся странах тоже постоянно устанавливают новые солнечные модули.
Тенденции изменения цен на установленные солнечные системы в трех странах, подотчетных IEA, выборочно.
В следующий раз обсудим принципы работы фотоячеек. Будет много физики.
.