• 5

ВВЕДЕНИЕ

Одной иэ характерных особенностей современного этапа разви­тия человечества является быстрый рост энергопотребления. Электро­энергия представляет собой наиболее совершенный вид энергии, легко доставляемый потребителю и преобразуемый в другие виды энергии. Выработка электроэнергии традиционными способами путем сжигания топлива на тепловых и атомных электростанциях сопровождается химическим и радиационным загрязнением окружа­ющей среды. При этом возникает также проблема «теплового загряз­нения» Земли, поскольку сегодня бесспорным является заключение о том, что для предотвращения необратимых изменений климата планеты суммарная выработка энергии не должна превышать ~1 % от всей энергии, приходящей на Землю от Солнца. Возможности наращивания энергетического потенциала за счет строительства гидроэлектростаций ограничены гидроресурсами, а также необхо­димостью отчуждения под водохранилища значительных площадей плодородных земель. Решение проблемы управляемого термоядер­ного синтеза откроет человечеству доступ к неограниченному источ­нику энергии, однако перечисленные выше недостатки в той или иной степени будут присущи и термоядерным электростанциям. Эти причины и вынуждают активно разрабатывать в настоящее время нетрадиционные способы получения электроэнергии.

Наиболее привлекательным является удовлетворение возрастаю­щих энергетических потребностей человечества за счет возобновляе­мых источников энергии, в первую очередь за счет целенаправлен­ного использования и преобразования энергии Солнца.

Солнечное излучение представляет собой практически неисчер­паемый источник энергии. Оно поступает во все уголки Земли и находится «под рукой» у любого потребителя. Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры —5800 К, что намного превышает температуру окру­жающей среды, при которой это излучение используется (~300 К). Последнее означает, что предельный термодинамический КПД пре­образователя солнечного излучения может быть близок к 100 %. Таким образом, солнечное излучение является экологически чистым, доступным источником энергии, обладающим высоким энергетиче­ским потенциалом.

Метод преобразования солнечной энергии в электрическую с по­мощью полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практиче­ском плане. Он широко используется в системах энергопитания кос­мических аппаратов и получает все большее применение в наземных условиях для обеспечения электроэнергией автономных потребителей (переносная аппаратура, маяки, автоматические метеостанции и т. п.).

Впервые на перспективы использования фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии в крупномасштабной энер­гетике обратил внимание еще в тридцатых годах основатель советской физической школы академик А. Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1 %. В последующие десяти­летия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии СЭ их КПД был увеличен до 20—25 %. Большая заслуга в развитии этого направления принадлежит советским уче­ным и инженерам, в первую очередь коллективу Всесоюзного научно- исследовательского института источников тока.

Очевидным недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную по­верхность, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а также погодными условиями. Еще недавно вопрос аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой с помощью солнечных фотоэлек­трических установок (СФЭУ), рассматривался как наиболее критич­ный при оценке перспектив крупномасштабной солнечной электро­энергетики вследствие необходимости равномерного энергоснабже­ния потребителей. Одним из приемлемых способов аккумулирования является использование электроэнергии для электролиза воды на водород и кислород с последующим хранением и расходованием водорода в качестве обычного топлива или реагента в электрических топливных элементах. Сегодня благодаря успехам в области высоко­температурной сверхпроводимости можно говорить также и о воз­можности создания сверхпроводящих накопителей электроэнергии, выполняемых, вероятно, в комплексе со сверхпроводящими линиями электропередачи. Радикальным способом избавления от неравно­мерности выработки электроэнергии на солнечных энергоустановках является размещение СФЭУ в околоземном космическом простран­стве. Находясь, например, на геостационарной орбите, СФЭУ прак­тически все время будет освещена Солнцем и сможет вырабатывать в несколько раз больше электроэнергии, чем на Земле в самых благо­приятных погодных условиях. Вырабатываемая электроэнергия может при этом использоваться как непосредственно в космосе на промышленных спутниках, так и транслироваться на Землю пучком СВЧ-излучения.

Другим, еще более существенным недостатком солнечного излу­чения как источника энергии является его низкая плотность. Для выработки заметной электрической мощности как в космосе, так и на Земле необходимо собирать сЬлнечное излучение с больших площадей, покрывая их дорогими полупроводниковыми солнечными элементами. Стоимость получаемой таким образом электроэнергии

значительно превосходит стоимость электроэнергии, вырабатывае­мой традиционными методами. Именно это является основной причи­ной, сдерживающей развитие крупномасштабной солнечной электро­энергетики.

Один из путей решения данной проблемы — снижение стоимости полупроводниковых материалов и СЭ. Исследования в этом направле­нии проводятся широким фронтом. Так, благодаря разработке прогрессивных технологий получения СЭ на основе монокристалли­ческого кремния их стоимость снижена до величины менее 10 долла­ров за 1 Вт установленной пиковой мощности СФЭУ при коэффи­циенте полезного действия около 15 %. На основе ленточного поли­кристаллического, а также тонкопленочного аморфного кремния созданы СЭ с КПД до 13 %. Такие же значения КПД достигнуты в тонкопленочных СЭ на основе гетеропереходов CuInSe2—CdS./ Однако для внедрения данных СЭ в крупномасштабную энергетику необходимо решение ряда проблем, в первую очередь обеспечение воспроизводимости технологии получения дешевых СЭ и стабиль­ности их параметров.

Предлагаемая вниманию читателя книга рассматривает другой путь снижения стоимости солнечной электроэнергии — фотоэлектри­ческое преобразование концентрированного солнечного излучения. В этом случае требуемая площадь солнечных элементов, а следова­тельно, и их стоимость могут быть снижены пропорционально крат­ности концентрирования солнечного излучения дешевыми зеркалами или линзами.

На пути практической реализации метода преобразования кон­центрированного солнечного излучения также возникает ряд про­блем. Во-первых, при повышении мощности солнечного излучения пропорционально увеличивается плотность генерируемого в СЭ фототока, что требует усложнения конструкции СЭ для уменьшения омических потерь. Во-вторых, увеличивается тепловая нагрузка на СЭ, что требует создания эффективной системы теплоотвода. В-третьих, необходима разработка высокоэффективных и дешевых концентраторов излучения. В-четвертых, необходимо точное наве­дение и слежение установок за положением Солнца, что усложняет конструкцию и эксплуатацию СФЭУ. В то же время благодаря при­менению концентраторов появляется возможность использования в крупномасштабной солнечной электроэнергетике дефицитных и дорогих полупроводниковых материалов, например арсенида галлия и твердых растворов на его основе, обеспечивающих получение термо­стабильных сильноточных СЭ с высоким КПД. Повышение освещен­ности приводит к дополнительному росту КПД, а также позволяет использовать эффект комбинированного термического, фотонного и инжекционного отжига радиационных дефектов, возникающих при эксплуатации СФЭУ в космосе. Поскольку при этом исполь­зуются СЭ сравнительно небольшой площади, появляется возмож­ность обеспечить их более эффективную защиту от неблагоприятных факторов окружающей среды, в частности за счет экранирующего действия концентраторов.

В данной книге впервые предпринята попытка комплексного рас­смотрения фотоэлектрического метода преобразования концентри­рованного солнечного излучения. Материал книги разбит на пять глав, в которых последовательно рассмотрены физические основы фотоэлектрического метода преобразования интенсивных световых потоков, характеристики сильноточных солнечных элементов, методы расчета и характеристики концентрирующих систем, а также во­просы оптимального проектирования солнечных фотоэлектрических установок с концентраторами излучения.

Первая и вторая главы написаны В. Д. Румянцевым, третья глава — В. М. Андреевым, четвертая и пятая главы — В. А. Гри- лихесом. В написании пятой главы принимали участие канд. техн. наук О. И. Честа и В. Г. Конов.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я