Техническая характеристика стэс Барстоу
Площадь теплоприемной поверхности, м2 - 302
Общая площадь гелиостатов, м2 - 340 000
Количество гелиостатов - 1818
Температура пара на входе в турбину, ˚С - 510
Давление пара на входе в турбину, МПа - 10
Электрический КПД (нетто) при расчетной радиации, % - 15,3
Экспериментальные СТЭС башенного типа были построены в США (10 МВт), СССР (5 МВт), Франции (2 МВт), Японии (1 МВт), Италии (1 МВт), Испании (0,5 МВт).
В настоящее время разрабатывается новая концепция СТЭС башенного типа в которой рабочим телом служит сжатый воздух. В теплоприемнике сжатый воздух нагревается до температуры 1000 ˚С и направляется в газовую турбину. На рис. 7 показана принципиальная тепловая схема СТЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (80 МВт, Калифорния, США).
Рис. 7. Принципиальная тепловая схема СТЭС с параболоцилиндрическими концентраторами:
1 – поле параболоцилиндрических концентраторов; 2 – пароперегреватель; 3 – парогенератор; 4 – экономайзер; 5 – теплоприемник промперегрева; 6 – паровая турбина; 7 – газовый котел
Вдоль линейного фокуса каждого параболоцилиндрического концентратора расположен теплоприемник в виде стальной трубы, окруженной стеклянной оболочкой. Пространство между трубой и стеклянной оболочкой вакуумировано, а на поверхность трубы нанесено селективное покрытие с высоким коэффициентом поглощения в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в инфракрасной области. Такая конструкция теплоприемника позволяет свести к минимуму потери теплоты в окружающее пространство за счет излучения, конвекции и теплопроводности. Теплоноситель (термостойкое кремнийорганическое масло), проходя через теплоприемник, нагревается до температуры 390˚С и передает теплоту воде и водяному пару.
Солнечные фотоэлектрические электростанции (СФЭС) предусматривают прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. В настоящее время фотопреобразователи установлены на маяках, навигационных знаках Баренцева и Черного морей, Рыбинского водохранилища, Ладожского озера, озера Байкал, на радиорелейной линии УКВ связи газопровода Средняя Азия - Центр и др. Все они выполнены на основе унифицированных модулей с пиковой электрической мощностью от 10 до 240 Вт.
Важным обстоятельством является тот факт, что СФЭС отличаются относительной простотой конструкции, низкой металлоемкостью, могут работать одинаковой эффективностью в любом диапазоне мощности и на любой географической широте. Трудности в практической реализации строительства СФЭС обусловлены прежде всего высокой стоимостью фотопреобразователей (в настоящее время 10.12 тыс. руб./кВт).
Удешевление СФЭС и увеличение их мощности связано с продолжением исследований в области электродинамики и выявлением новых перспективных способов преобразования солнечной энергии. Необходим переход к крупномасштабной, автоматизированной технологии изготовления солнечных элементов из монокристаллического и поликристаллического кремния, а также переход к тонкопленочной технологии производства солнечных элементов,
Солнечный элемент на основе кремниевых пластин представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (рис. 8). Он отличается от типичного микроэлектронного прибора только тем, что имеет большую площадь р-n-переходов, простирающуюся по всей поверхности пластины.
В основе фотоэлектрического эффекта лежит процесс поглощения света в объеме полупроводника (в базовой области 5, см. рис. 8), при котором рассеиваемый фотон рождает электронно-дырочную пару. Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая за счет разности коэффициентов диффузии носителей заряда - электронов и дырок, в однородном полупроводнике обычно очень мала. При поглощении света значительную ЭДС получают в неоднородном полупроводнике, в котором обеспечивается пространственное разделение носителей заряда разного знака (электронов (-) и дырок (+)) за счет встроенного электрического поля, создаваемого конструкционного на основе р-n-переходов (3 и 5 на рис. 8, а и 11и 5 на рис.8, б). Области р-проводимости (дырочной) и n-проводимости (электронной) получают за счет диффузионного легирования основного вещества (Si) акцепторами (В, Al) и донорами электронов (Р, Аs, Sb) соответственно. Разница работ выхода носителей заряда на р-n-переходе образует потенциальный барьер для основных носителей (равновесных носителей заряда в базовом материале, т. е, дырок в базе р-типа).
Для работы СЭ основную роль играют неосновные носители заряда (НН), т. е. неравновесные носители, появляющиеся в результате поглощения фотонов. Неосновные носители, проходя через p-n-переход, ускоряются и создают фототок, отвод которого обеспечивают контакты (1, 7,8, 9 на рис. 8, а и 7, 14 на рис. 8,б). Величина фототока в значительной мере зависит от времени жизни τн.н (или от «диффузионной длины» lн.н) неосновных носителей.
В настоящее время уже предложено большое число конструкций солнечных элементов как па основе кремния, так и с использованием других полупроводниковых материалов. Различия конструкций во многом обусловлены стремлением повышения КПД за счет применения эффективных оптических систем светособирания и светопоглощения.
Конструкции СЭ на базе плоской поверхности пластин достаточно широко применяют благодаря относительной простоте технологии. На рис. 8, а показана одна из простейших конструкций солнечного элемента, созданного на пластине кремния.
Элемент, изображенный на рис. 8.8, б, имеет лучшие характеристики светопоглощения, чем элемент на рис.8.8,а, и соответственно более заполненную вольтамперную характеристику (ВАХ) и больший КПД, а также - большую площадь p-n-перехода, что обеспечивает менее крутой наклон ВАХ в рабочей области.
Основная технологическая цепочка производства СЭ на пластинах кремния включает следующие этапы:
1) обезжиривание и очистка пластин (начальные и промежуточные);
2) полировка пластин;
3) травление для создания текстурированной поверхности (см. рис. 8,6);
4) газодиффузное внедрение фосфора для создания n-слоя на обеих сторонах пластины кремния;
5) травление для удаления стеклообразного слоя диффузанта;
6) осаждение (напыление) слоя алюминия на тыльную поверхность СЭ в вакууме;
7) термодиффузионная обработка для создания р-слоя на тыльной стороне путем проведения диффузии Al через n-слой при - 800 ˚С;
8) маскирование для создания рисунка токосъемной сетки на световой стороне с помощью фотолитографии или теневой маски;
9) осаждение токосъемных слоев (в частности, из Ni, Тi, Pd или Al) на световую и тыльную поверхности;
10) удаление маски (стравливание);
11) отжиг токосъемных слоев при ~ 550 ˚С;
12) погружение в расплавленный припой для создания подсоединительных контактов;
13) осаждение просветляющего покрытия из Та2О5 (или др.) и последующее его спекание при 450 ˚С;
14) резка на прямоугольники (при необходимости) и обработка торцов для удаления диффузионных закороток;
15) контроль качества - определение КПД и сортировка.
Цепочка 2-14 обычно содержит еще промежуточные этапы очистки, сушки и контроля параметров. Если для улучшения светособирания фронтальная поверхность элемента делается текстурированной - с канавками, бороздками и т. п. (рис. 8, б), то между этапами 2-4 существует еще специальная операция образования поверхности сложной формы - вытравливание, лазерное или механическое скрайбирование.
В производстве фотоэлементов (прямое преобразование солнечной энергии в электрическую) и систем на их основе наблюдается настоящий бум. В 1999 г. годовое производство энергии с помощью фотоэлементов в мире составило 200 МВт. Годовые темпы роста за последние 5 лет составляют 30 %. Страны-лидеры: Япония - 80, США-6О, Германия -50 МВт (Россия - 0,5 МВт). Общая площадь солнечных водонагревателей (солнечных коллекторов) в мире превысила по неполным данным 21 млн м2, при этом годовое производство солнечных коллекторов превышает 1,7 млн м2, Страны-лидеры: Япония - 7, США - 4, Израиль - 28, Греция - 2,0 млн м2 (Россия -0,1 млн м2).
СФЭС в сравнении с другими видами СЭС обладает рядом преимуществ, такими, как возможность получения электроэнергии даже при рассеянном солнечном свете, постепенного наращивания мощности добавлением новых секций солнечных батарей, малое потребление энергии па собственные нужды, большой (более 30 лет) срок службы, высокие надежность, ремонтопригодность и безопасность, относительная простота комплексной их автоматизации с возможностью работы без постоянного обслуживающего персонала.
Внедрение новой технологии и расширение производственной базы создают благоприятные условия для строительства СФЭС средней мощности (10...1000 кВт) в северных широтах для электро- снабжения сезонных потребителей, в горных районах, на Дальнем Востоке для питания автономных потребителей, а также для экспорта их в другие страны.
Создание крупномасштабной машиностроительной базы, основанной на принципиально новых технологических процессах производства СФЭС, позволит создавать крупные наземные СФЭС.
Если до 1966 г. на мировом рынке преобладала в основном сфера применения фотоэнергетических технологий в потребительском секторе, а также в коммуникации и связи, то сейчас все больше и больше начинает преобладать сфера чисто энергетического применения фотоэлектричества. В настоящее время СФЭУ с успехом используются в ряде стран мира, особенно в Японии, Германии и США. В Японии и Германии развитию СФЭУ способствовали специальные государственные программы поддержки этого нетрадиционного сектора современной энергетики. В Германии вначале была принята и успешно реализована в начале 90-х годов ХХ в. программа «1000 солнечных крыш», а сегодня также успешно реализуется программа «100 тысяч фотоэлектрических крыш». В 1995-1996 гг. в Японии приступили к реализации программы 470 000 фотоэлектрических крыш. В 1998г. эта программа была пересмотрена в сторону увеличения до 1 млн крыш. В США с 1997 г. реализуется программа «Миллион солнечных крыш».
В нашей стране также велика потребность в автономных энергоустановках с использованием фотопреобразователей. Одной из причин неудовлетворения имеющихся потребностей являются ограничение по сырьевой базе кристаллического кремния и медленное освоение технологии производства преобразователей на основе аморфного кремния. НПО «Квант» сегодня является монополистом в производстве солнечных элементов из кристаллического кремния. «КвантЭМПАГРО» осуществило часть крупномасштабного эксперимента по сооружению в пос. Черноморский Краснодарского края «Солнечной деревни» - построено Виз 20 намечавшихся к строительству коттеджей. Солнечные батареи мощностью 4 кВт сооружены на крышах домов, объединены между собой и могут отдавать излишки энергии в сеть. Среднесуточная выработка электроэнергии на одну установку составляет 10 кВт∙ч.
Сегодня в России имеются хорошая научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство (в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, Рязани и других городах), которое способно создавать практически любые современные СФЭУ любого назначения.
НПО «Астрофизика» в порядке конверсии оборонного производства ведет разработку и изготовление автономных гелиоэнергетических установок (ГЭУ) и блочных модульных электростанций на основе параболических концентраторов с металлическими зеркалами и различными преобразователями (двигатели Стирлинга, термоэмиссионные преобразователи и т. д.), оснащенных системами слежения за Солнцем.
Создание экологически чистых СЭС электрической мощностью 1…10 МВт и выше на основе параболоидных и параболоцилиндрических ГЭУ, многобашенных солнечных станций возможно с использованием газотурбинных преобразователей энергии.
Такие СЭС и автономные ГЭУ могут найти применение в регионах, отдаленных от централизованных сетей электро-, тепло - и газо - снабжения, обеспечивая потребителя электрической, тепловой, механической энергией, в том числе и холодом.
НПО «Астрофизика» в кооперации с другими предприятиями создало два модуля мощностью 2,5 и 5 кВт с двигателем Стирлинга (разработка физико-энергетического института АН РФ) и диаметром зеркала соответственно 5 и 7 м.
Отдельные модули солнечных установок со светосильными концентраторами мощностью 1…5 кВт можно использовать в качестве автономных источников электропитания.
В 2000 г. США обнародовали новую перспективную цель энергетики страны: строительство солнечной электростанции в Техасе размером 107 Х 107 миль, которая могла бы полностью обеспечить потребности США в электроэнергии.
По экспертным оценкам вновь вводимая за год мощность СФЭУ в мире в 2005 г. составит 200 МВт, а в 2010 г. - 700 МВт при среднегодовом приросте около 25%.