Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получаемая в нагрузке мощность от такого генератора определяется из соотношения

P=S(T₁-T₂)I - I²R,

 где S коэффициент Зеебека зависящий от материала проводника.

Если считать неизменными  другие величины, значение КПД определяется только величиной тока. Установлено, что с уменьшением тока КПД сначала растет, а затем падает. Максимальное значение КПД зависит от параметра Z характеризующего некоторую совокупность свойств проводника, называемого добротностью. Для металлов Z очень мала, поэтому для изготовления ТЭГ применяют легированные полупроводники, для которых добротность при определенных температурах не превышает 0.0005 на 1 К. Тогда при температуре нагревателя 1000 К и охладителя 300 К, общий КПД преобразования составляет лишь около 7% и то при концентрации солнечного излучения с помощью зеркал.

Несмотря на то, что КПД современных термоэлектрических генераторов очень мал, интерес к ним продолжает расти. Если учесть, что еще несколько десятилетий назад КПД термоэлектрических генераторов был в 10 раз ниже достигнутого в настоящее время, а поиск новых более совершенных материалов продолжается, то можно надеяться на дальнейшее усовершенствование этого типа генераторов. Например, если удастся достигнуть величины добротности 0,005 на 1К в диапазоне температур от 300 до 1000 К, то КПД генератора увеличится с 7 до 31%.

Следует заметить, что  температурные изменения добротности  могут благоприятно отразиться и  на эффективности системы, состоящей из плоского коллектора и термоэлектрического генератора (рис. 10). Максимальная температура в данном случае значительно ниже, но для достаточно узкого интервала температур можно подобрать такую пару термоэлектрических материалов, которые обеспечат сравнительно высокую добротность. При температуре Т= 400 К и Z =0,002 на 1 К суммарный КПД составляет около 3,5%. Если учесть, что получение такой рабочей температуры не связано с применением сложных концентраторов, снабженных устройством, следящим за движением солнца, то система подобной конструкции оказывается вполне приемлемой. Относительно низкая величина КПД системы обусловлена входящим в ее состав генератором.

Рис. 10. Термоэлектрический генератор с плоским коллектором.

Из всего сказанного видно, что эффективность систем, в которых солнечная энергия  используется для нагревания соответствующих устройств, принципиально ограничена, в результате чего полезно реализуется лишь незначительная доля падающей солнечной энергии. Даже по самым оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.

Таким образом, дальнейшее исследование устройств для преобразования энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным. В одном из таких устройств, которому еще 10 лет назад отводилось важное место при решении вопросов крупномасштабного получения энергии, использован магнитогидродинамический эффект, или МГД-эффект, но последние исследования, а в большей степени практические реализации такого устройства показали, что его использование из-за низкого КПД неэффективно. В следующей главе будут описаны другие методы получения энергии. Их существенное отличие заключается в том, что они позволят использовать энергию солнечной радиации без сколько-нибудь заметного повышения температуры элементов систем, то есть тепловая стадия в процессе преобразования энергии исключается.

 

Глава 2. Фотоэлектрические  генераторы.

В преобразователях световой энергии в электрическую используется фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем и обстоятельно исследованный, начиная с 1888 г. Столетовым.

Фотоэффект выражается в «выбивании» электронов фотонами света с поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием света, падающего на границу металл — полупроводник (или n-полупроводник и p-полупроводник) ЭДС, вызывающей появление или изменение тока в цепи (фотоэффект запирающего слоя или вентильный фотоэффект).

Устройства, основанные на внешнем и внутреннем фотоэффекте рассматриваться не будут т.к. они аналогичны термоэлектронным генераторам, рассмотренным выше - различаются лишь способом получения электронного пучка. Можно только отметить, что КПД таких генераторов очень низок - всего 0.5-1%. Столь низкий КПД является причиной того, что при исследовании вопросов получения энергии фотоэмиссионным генераторам отводится незначительная роль, хотя возможно используя какие-то оригинальные конструкции, их КПД можно значительно повысить. Однако все эти возможности остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических генераторов использующих вентильный фотоэффект.

 

Вентильный фотоэлектрический генератор.

Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).

Фотоэффект запирающего  слоя положен в основу устройства полупроводниковых, или, как их еще  иначе называют, вентильных фотоэлементов  — приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.

 

Рис. 11. Принцип действия солнечного электрогенератора.

Фотоэлементы с запирающим слоем строятся с 1888г., т.е. со времени открытия этого эффекта Ульяниным (учеником Столетова), однако их КПД при использовании металлов не превышает 1 %. Применение полупроводников с различными типами   проводимости дало значительно лучшие результаты. Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем.

Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионов (рис. 11). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого, направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п→р и дырок в направлении р→п.

Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в нем происходит внутренний фотоэффект - образуются пары зарядов электрон-дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея возможности пройти сквозь запирающий слой, устремляются в нее. Дырки же легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит рекомбинация - в цепи начинает протекать ток.

Фотоэлементы  с вентильным фотоэффектом, обладая, подобно  элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока  интенсивности излучения, имеют большую  по сравнению с ними интегральную чувствительность (см. табл. 6) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных фотоэлементов относятся  германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-серебряные и др.

 

 

 

 

 

Таблица 6

Интегральная чувствительность некоторых  полупроводниковых материалов

Фотоэлементы	Максимальная чувствительность, мкА/лм
С внешним фотоэффектом Меднозакисный Селеновый Сернистосеребряный Сернистоталлиевый Германиевый Кремниевый	150 100 600 8000 11000 30000 35000

 

Конструктивно любой  вентильный фотоэлемент довольно прост. Изготавливается так называемый нижний электрод, представляющий собой металлическую пластинку, толщиной от одного до двух миллиметров. Форма пластинки не имеет никакого принципиального значения и определяется лишь назначением фотоэлемента. Нижний металлический электрод должен быть механически прочным. На него наносится тонкий слой того или иного полупроводника. Затем он подвергается соответствующей обработке, цель которой заключается в создании в толще полупроводника р-n-перехода. Когда эта цель достигнута, на наружную поверхность в большинстве случаев наносится верхний металлический электрод, представляющий собой тонкий полупрозрачный слой металла.

Иногда обработка полупроводникового слоя для создания в нем р-n-перехода проводится при нанесенном уже верхнем металлическом электроде. Бывает и так, что полупроводник обрабатывается в отсутствии обоих электродов. Последние создаются уже после образования в полупроводниковом слое р-n-перехода. При изготовлении некоторых фотоэлементов р-n-переход образуется в процессе нанесения электрода.

Вся эта система помещается в оправку с окошком для светового потока. В оправку вмонтированы две токовые клеммы. Одна из них соединяется с нижним электродом, другая — с верхним.

Для предохранения наружной поверхности фотоэлемента, от вредного влияния атмосферного воздуха иногда она покрывается прозрачным лаком.

Если фотоэлемент изготавливается  из хорошо проводящего полупроводникового вещества, например кремния или германия, то верхний электрод может быть выполнен в виде кольца, если фоточувствительная поверхность имеет форму диска, или прямоугольной рамки.

Когда на верхний электрод фотоэлемента падает лучистый поток, то некоторая его часть отражается от металлического слоя, другая часть поглощается в толще этого слоя и, наконец, остальная часть проходит сквозь последний и поглощается в прилегающей области полупроводника. Это приводит к освобождению пар электрон-дырка, о чем было рассказано выше. В результате перемещения дырок к одному электроду, а электронов к другому, они приобретут заряд противоположных знаков и между ними возникнет разность потенциалов. Ее величина до определенного предела будет тем большей, чем больше интенсивность лучистого потока.

 

Что касается КПД  современных  фотоэлектрических преобразователей, то экспериментально показано, что  в них преобразуется только около 50% падающей на элемент солнечной энергии, также показано, что при правильном выборе материалов и достаточной освещенности можно добиться того, чтобы в процессе генерирования энергии принимало участие не менее 80% возникающих под действием фотонов пар электрон-дырка. Фотоэлемент с такими параметрами будет обладать КПД порядка 20%.

Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным рис. 12.

Рис. 12. Зависимость выходной мощности фотоэлектрического генератора от интенсивности солнечного излучения

 

 

При интенсивности солнечной  радиации Р=800 Вт/м² полезная мощность практически не превышает 130 Вт/м². Куда же расходуется оставшаяся неиспользованной энергия? Следует избегать того, чтобы эта энергия затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки, поскольку в противном случае возбужденные носители могут преодолевать запирающий слой различными «окольными» путями. Поскольку интенсивность колебаний решетки непосредственно связана с температурой, то в равной мере можно говорить о необходимости поддерживать температуру на низком уровне. Этого добиваются различными способами. Обычно при повышении рабочей температуры с 20 до 100° С КПД установки снижается на одну треть. Очевидно, ту часть спектра солнечной радиации, которая расходуется непроизводительно, можно устранить с помощью соответствующих отражающих покрытий, но внутри генератора всегда происходят какие-нибудь тепловые процессы, поэтому необходимо обеспечить по возможности наилучший отвод тепла через теплопроводность или лучеиспускание.

 

Глава 3. Перспективы развития фотоэлектрических генераторов.

Вопреки различным оптимистичным  прогнозам простейшие фотоэлектрические генераторы по КПД пока еще не превосходят системы на основе механических тепловых машин и термоионных преобразователей. Низкий КПД фотоэлектрического генератора объясняется двумя основными причинами: с одной стороны, значительная часть световых фотонов обладает энергией, которая не оказывает нужного действия на электроны материала, а с другой - разность потенциалов V на нагрузке составляет лишь малую часть от напряженности поля E_з в запрещенной зоне. Весьма вероятно, что проводимые в настоящее время исследования позволят создать новые устройства, в которых указанные недостатки окажутся менее существенными. В высоколегированных полупроводниках, где ширина запрещенной зоны значительно больше, второй из названных недостатков выражен значительно слабее. В этом случае число носителей, преодолевающих р-n-переход «окольными» путями, уменьшается. Проводятся  перспективные исследования по созданию более сложных устройств, схематически показанных на рис. 13.

Рис. 13. Типы фотоэлектрических генераторов: а—однокаскадный; б—многокаскадный.

Солнечная радиация сначала попадает на элемент, изготовленный из полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, благодаря чему он обладает высоким КПД в нужной нам части солнечного спектра. Фотоны с энергиями ниже E_з не оказывают воздействия на этот элемент, материал которого для них по существу является прозрачным. Пройдя через первый каскад, эти фотоны попадают во второй, выполненный из материала с меньшей величиной E_з (по сравнению с первым элементом). Его способность захватывать эти фотоны высока, хотя КПД ниже, чем у первого элемента. Такое сочетание двух солнечных элементов позволяет получить более высокий суммарный КПД, чем для каждого из них в отдельности. Возможность дальнейшего совершенствования такого рода устройств открывается с применением для их изготовления интегральной технологии и созданием так называемого интегрального генератора, в котором ширина запрещенной зоны изменяется с глубиной; она велика у облучаемой поверхности, а затем уменьшается в глубь материала. Эта и другие новые разработки фотоэлектрических генераторов открывают дальнейшие перспективы повышения их КПД; предполагается, что КПД фотоэлектрических систем может достигнуть 50—60%, то есть превысить КПД любых других систем. Особое внимание уделяется вопросу удешевления конструкций фотоэлектрических генераторов, поскольку созданные до настоящего времени устройства оказались чрезвычайно дорогостоящими.