Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

ны или строятся в Испании, Китае, Мексике, Алжире, Египте и некоторых других странах.

В СТЭС башенного типа (рис. 6.3 и 6.4) коллектор (приемник излучения) с водой поднят над поверхностью земли и установлен на высокой (до 300 м) башне для снижения взаимного затенения гелиостатов. На поверхность коллектора снаружи наносится специальное селективное покрытие, хорошо поглощающее солнечное излучение и сокращающее собственное излучение коллектора («парниковый» эффект). Множество зеркал (гелиостатов), расположенных на земле вокруг башни, постоянно автоматически поворачиваются вслед за солнцем так, чтобы в каждый момент времени плотность сфокусированного на коллектор излучения была максимальной. Запасенное водой тепло преобразуется в электроэнергию с помощью традиционного паротурбинного цикла.

Впервые идея создания солнечной электростанции башенного типа была выдвинута советским инженером Н.В. Линицким в 30-х годах ХХ в. В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Некоторые тех- нико-экономические параметры СТЭС приведены в табл. 6.2 и 6.3.

Башня PS20 собирает лучи, отражённые от 1255 гелиостатов, направляющих солнечные лучи на солнечный коллектор, расположенный наверху 165-метровой башни.

Первая в Европе коммерческая солнечная тепловая электростанция PS10 – «солнечная башня» (solar power tower) официально вступила в строй 30 марта 2007 г. Мощность станции, возведённой в Андалусии (Испания), составляет 11 МВт. Этого достаточно для энергоснабжения 6000 семей. Её 624 зеркала, площадью по 120 м2 каждое, направляют свет на вершину красивой бетонной башни высотой 115 м. Одной из крупнейших башенных СТЭС в мире стала солнечная электростанция PS20 мощностью 20 МВт, расположенная, как и PS10, недалеко от Севильи, в Испании (рис. 6.5).

В пустыне Мохаве (Калифорния, США), которую часто называют Сахарой Нового Света, к 2012 г. должна войти в строй аналогичная гелиотермическая электростанция, суммарной мощностью около 550 МВт.

Оценки, основанные на данных табл. 6.2 и 6.3, показывают, что для крупной электростанции со среднесуточной мощностью 1 ГВт (как на современных блоках ТЭС и АЭС) величина КПД не превы-

181

сит 15 %, а для размещения фокусирующих зеркал потребуется площадь земной поверхности 30–50 км2, что сравнимо с площадью крупнейших водохранилищ равнинных ГЭС.

Таблица 6.2 Характеристики солнечных тепловых электростанций

	Показатель	Параболический	«Тарелка»		Электростанция
		концентратор			башенного типа
	Мощность, МВт	30–320	5–25		10–200
	Рабочая	390	750		565
	температура, °C
	Коэффициент	23–50	25		20–77
	готовности, %
	Пиковый КПД, %	20	29		23
	Практический	11–16	12–25		7–20
	годовой КПД, %
	Промышленное	Прототип	В стадии		Существующие
	применение	промышленной			демонстрацион-
			демонстрации
		установки			ные проекты
	Риск, связанный
	с развитием	Низкий	Высокий		Средний
	технологии
	Аккумулирование	Ограничено	Аккумулятор		Да
	тепла
	Гибридные	Да	Да		Да
	системы
	Стоимость,	2,7–4,0	1,3–12,6		2,5–4,4
	дол./Вт
					Таблица 6.3
	Параметры солнечной тепловой электростанции башенного
	типа электрической мощностью 100 МВт
		Параметр			Величина
	Размер территории, км2				3,25
	Число гелиостатов (зеркал)				29 300
	Размер гелиостата, м2				36
	Высота башни, м				330
	Температура котла (пиковая), °С				510
	Температура теплового аккумулятора, °С				316
	КПД (пиковый), %				26–30

182

Таким образом, тепловые солнечные электростанции становятся в ряде стран заметным источником электроэнергии.

6.3. Полупроводниковые солнечные батареи

Солнечными полупроводниковыми батареями (или просто солнечными батареями, или фотоэлектрическими преобразователями – ФЭП) называют установки, в которых реализуется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью полупроводников [1]. Солнечные фотоэлектрические преобразователи просты в обращении и не имеют движущихся механизмов, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем.

Работа ФЭП основана на двух физических фотоэффектах: «внутреннем» и «вентильном». «Внутренний фотоэффект» – это увеличение концентрации носителей электрического тока (свободных электронов и «дырок») в полупроводнике под действием фотонов, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости. «Вентильный эффект» – выпрямляющее свойство p-n перехода («сэндвича» из двух полупроводников), т.е. способность контактной зоны полупроводников p- и n-типов пропускать ток преимущественно в одном направлении, т.е. разделять (сортировать) электроны (n) и дырки (p). Благодаря этим эффектам электроны и дырки, возникшие под действием света вблизи p-n перехода, диффундируют через контакт и создают фототок, пропорциональный потоку световой энергии (рис. 6.6).

Впервые явление фотоэлектричества было обнаружено Э. Беккерелем (отцом Анри Беккереля, открывшего в 1896 г. радиоактивность) еще в первой половине XIX в. Однако проблема превращения солнечного света в электроэнергию впервые была четко поставлена и решена в России школой академика А.Ф. Иоффе в 1930-х гг. Первые фотоэлементы, изготовленные его сотрудниками, имели КПД около 1 %. В настоящее время отдельные экземпляры на основе кремния имеют КПД 15 % при максимальном теоретическом значении 23 %.

183

Солнечные батареи, установленные впервые в 1958 г. на советском спутнике Земли «Спутник-3» и на американском спутнике «Авангард», являются незаменимыми источниками электроэнергии для космических аппаратов. Фотоэлектрические модули благодаря своим электрическим свойствам вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Там же, где нужен переменный ток, к системе необходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.

КПД солнечной батареи. Оценим КПД солнечной батареи (СБ) и определим наиболее подходящий полупроводник, дающий наибольший КПД преобразования светового излучения в электричество. Пусть на единицу поверхности СБ (рис. 6.6) падает световой поток мощностью q Вт/м2, и при этом генерируется электрическая мощность w = jV (тоже в расчете на единицу площади СБ), где j – электрический ток в цепи в расчете на единицу площади СБ, А/м2; V – напряжение на нагрузке, В. По определению КПД есть отношение генерируемой электрической мощности ФЭП к тепловой мощности светового потока, т.е. η = w/q. Фотоны солнечного света имеют распределение Планка по энергии (6.2).

Из всех фотонов, падающих на поверхность СБ, только фотоны с энергией Еф = hν = hc/λ, превосходящей ширину запрещенной зоны Е полупроводника, то есть с длиной волны λ ≤ λм = hc/ Е, могут генерировать фототок (перебрасывать электроны из валентной зоны в зону проводимости). Оценим сначала долю β фотонов в спектре Солнца, участвующих в создании фототока через p-n пере-

	ход, как функцию ширины запрещенной зоны				Е полупроводника:
		λM		λM
		∫ Фλdλ		∫ λWλdλ
	β( E) =	λ=0	=	0	,	(6.7)
		∞		∞
		∫ Фλdλ ∫λWλdλ
		λ=0		0

где обозначено Фλ =WλEф = λWλ hc (6.1)–(6.4). В числителе вы-

ражения (6.7) стоит величина, пропорциональная числу фотонов, способных вызвать внутренний фотоэффект в полупроводнике, а в знаменателе – полное число фотонов в спектре солнечного излучения.

184

Величина β является убывающей функцией ширины запрещенной зоны полупроводника Е, поскольку, чем больше Е, тем меньше в спектре фотонов, способных вызвать фотоэффект. Вели-

чина

∞

ϕ= ∫ Фλd λ =σϕ T 3

λ=0

в знаменателе предыдущего выражения (6.7) имеет смысл плотности потока фотонов на единичную площадку (1/м2). Здесь обозначено σϕ = σ2,7k . Из сравнения с формулой для закона Стефана–

Больцмана (6.4) следует, что q = 2,7kTϕ. То есть величина 2,7kТ

характеризует среднюю энергию фотонов в спектре черного тела. Для солнечного излучения при температуре поверхности Солнца Т = 5785 К средняя энергия фотонов составляет 2,15 · 10–19 Дж ≈

≈ 1,35 эВ.

Зная β и полагая для простоты, что в идеальном случае каждый фотон с длиной волны λ ≤ λМ создает носитель тока в полупроводнике, определяем максимальный фототок: jМ = eβφ, где e – заряд электрона.

Максимальное напряжение на нагрузке не может превышать контактной разности потенциалов p-n-перехода, равной VК = Е/e. Поэтому максимально возможная электрическая мощность солнеч-

ной батареи (в расчете на единицу ее площади) равна w = jМVК ≈ β( E) ϕ E.

Витоге находим КПД солнечной батареи как функцию ширины

Езапрещенной зоны полупроводника:

λ∫M λWλdλ

η( E) = wq =β( E) E ϕq = λ=∞ 0 . (6.8) ∫λMWλdλ

0

Максимальный теоретический КПД не превышает 40 %, причем экстремум приходится на Е = 1,1 эВ. Такую ширину запрещенной зоны имеет кремний (Silisium, Si) – второй по распространенности на Земле элемент. Поэтому именно кремний получил широкое

185

применение в солнечных батареях и электронной промышленности.

Более строгие расчеты КПД с учетом отражения и поглощения света в окрестности p-n перехода дают верхний предел КПД солнечных батарей на кремнии около 23 %. Фотоэлементы массового производства на монокристаллическом кремнии характеризуются величиной КПД 16–17 %. Чем выше КПД, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, отличающихся высокой стоимостью изготовления. Девяносто девять процентов современных солнечных элементов изготавливают из кремния.

Фотоэлементы производятся из сверхчистого кремния, легированного специальными примесями для создания p- и n-типа проводимости в контактирующих слоях. Если в кремний ввести фосфор, сурьму или мышьяк, то получится полупроводник n-типа. Если же в кремний ввести бор, галлий или алюминий), то он становится полупроводником p-типа. Количества сверхчистого кремния, необходимого для изготовления одного фотоэлектрического модуля мощностью 50 Вт, было бы достаточно для интегральных схем примерно двух тысяч компьютеров.

Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40–50 % состоит из стоимости кремния. Фотоэлементы в настоящее время стоят 3– 6 дол. США за 1 Вт, а производство фотоэлектричества – около 0,5–1 дол./кВт· ч, т.е. более чем на порядок дороже других возобновляемых источников. Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи благодаря прогрессу в технологиях и расширению производства снизились за 25 лет почти в 30 раз: с 70–100 дол./Вт (в семидесятых годах ХХ в.) вплоть до 3–6 дол./Вт в 2010 г. Созданы фотоэлектрические батареи с предполагаемым ресурсом работы до 30 лет и сроком окупаемости от 4 до 9 лет (для подключенных к сети при среднегодовом потоке солнечной энергии 1500 кВт· ч/м2. В будущем, по мере более широкого применения фотоэлементов, их стоимость должна еще уменьшиться.

Наноструктурные фотоэлектрические преобразователи.

Использование наноматериалов и нанотехнологий позволяет многократно поднять эффективность солнечной энергетики на основе использования наноструктурных фотоэлектрических преобразователей. Появился полный цикл производства новых солнечных батарей, созданных на основе наногетероструктур, которые состоят

186

из большого количества каскадных элементов – до 30 чередующихся слоев, каждый из которых имеет толщину всего 10–15 нм. В многослойном (гетероструктурном) фотоэлементе в создании фототока используется бóльшая часть фотонов спектра, чем в одном p-n переходе из кремния.

Самый многообещающий путь повышения эффективности солнечных батарей – использование гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия GaAs (ширина запрещенной зоны 1,4 эВ) и родственных ему соединений. Такие солнечные элементы впервые в мире были предложены и созданы в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 1969 г. [3, 4]. Одним из результатов этих работ явилась организация в стране производства гетероструктурных солнечных батарей, установленных на ряде космических аппаратов, в том числе на орбитальной станции «Мир».

КПД гетероструктурных солнечных батарей доходит до 35– 40 %. Их максимальная рабочая температура достигает +150 °С, в отличие от + 70 °С у кремниевых батарей, что увеличивает возможности концентрирования света на этих полупроводниках. Однако арсенид-галлиевые СБ значительно дороже кремниевых. В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что пока ограничивает возможности производства солнечных батарей на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения в наземной солнечной энергетике.

Несмотря на большую стоимость гетероструктурных батарей, их использование в космических условиях обеспечивает почти двухкратное снижение суммарных затрат благодаря: 1) увеличению в 2 раза КПД, 2) удельному энергосъему, 3) радиационной стойкости по сравнению с кремниевыми батареями, а также 4) увеличению ресурса и 5) снижению расхода топлива на доставку батарей на орбиту, ориентацию и стабилизацию космического аппарата.

Современные солнечные панели спутников Земли достигают площади 500 м2 и имеют удельную стоимость около 10 тыс. дол. за квадратный метр. Поэтому пока экономически оправдано применение солнечных батарей только для космических аппаратов, потребляющих сравнительно невысокую мощность (до 100 кВт).

КПД «наземных» каскадных солнечных элементов достигает значений 40 % при концентрированной засветке. При степени концентрирования излучения 100–1000 крат площадь солнечных эле-

187

ментов, необходимая для выработки эквивалентной электрической мощности, пропорционально уменьшается, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов пропорционально степени концентрации и обеспечить существенное снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями с концентраторами.

Практическое использование фотоэлектричества в земной энергетике. В наземных условиях солнечные электростанции на основе полупроводниковых солнечных батарей пока неконкурентоспособны. В ряде стран принято законодательство о снижении налогообложения на солнечные энергетические установки в целях поощрения их распространения либо законодательство о повышении тарифов на электроэнергию с целью привлечения инвестиций в солнечную энергетику. Благодаря этим мерам, а также прогрессу в технологиях фотоэлектричество проникает во многие сферы деятельности. Так, в отдаленных районах фотоэлементы обслуживают автономные энергоустановки с 1970-х гг. В 1980-х производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной аппаратуры; в 1990-х предприятия энергоснабжения начали применять фотоэлементы для обеспечения мелких потребностей пользователей.

Фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное освещение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосистему и т.д. Разные фирмы предлагают фотоэлементы в виде легких, эластичных и прочных кровельных плит, а также ненесущих стен-перегородок для фасадных работ. Расположение фотоэлектрических модулей на крышах зданий или встраивание их в фасадные стены позволяет достичь существенной экономии строительных материалов. Появились экономически привлекательные новинки строительных материалов с включенными в их состав фотоэлементами.

В отдаленных районах фотоэлектрические установки являются наиболее рентабельным, надежным и долговечным источником энергии. Энергетические компании США обнаружили, что экономичнее использовать водяные насосы на солнечной батарее, чем обслуживать распределительные электрические линии, ведущие к удаленным насосам. В сельских районах находится и другое при-

188

менение фотоэлектрическим системам – зарядка и освещение электрических изгородей; обеспечение циркуляции воды, вентиляции, света и кондиционирования воздуха в теплицах и гидропонных сооружениях. Многие малые фотоэлектрические системы, питающие несколько лампочек и телевизор, дешевле, чем альтернатива – продление линии электропередачи, замена и утилизация одноразовых батарей либо применение дизель-генератора.

Самый главный недостаток солнечных батарей в том, что они могут работать только в дневное время и при свете Солнца. Для компенсации этого недостатка к системе подсоединяют аккумуляторы энергии (тепловые аккумуляторы для крупных установок и электроаккумуляторы для маломощных установок). Так, электроаккумулятор заряжается от солнечной батареи, запасает энергию и делает ее доступной в любое время. Благодаря аккумулированию электроэнергии фотоэлектрические системы служат надежным источником электропитания днем и ночью, в любую погоду для водяных насосов, осветительных приборов, сенсоров, звукозаписывающего оборудования, бытовых приборов, телефонов, телевизоров и электроинструментов, но повышают стоимость системы.

Общая установленная мощность солнечных фотоэлектри-ческих систем (солнечных батарей) на начало 2009 г. составила 15 ГВт (1,5 ГВт в 2000 г.), из них около 60 % установлено в Европе. Европейские страны лидируют и по показателю потребления солнечного фотоэлектричества на душу населения: например, в Испании этот показатель составил 75 Вт/чел., в Германии – 65 Вт/чел.

Как следует из табл. 6.4, в нескольких странах построены солнечные фотоэлектрические станции мощностью около 10 МВт и более.

Мегапроекты солнечных электростанций. В этом разделе описаны два крупных проекта использования солнечной энергии для производства электроэнергии: Европейский проект Desertec и проект Глазера.

Проект Desertec. «В течение шести часов пустыни получают от Солнца больше энергии, чем человечество потребляет за целый год». Это утверждение, приписываемое доктору Герхарду Кнису (Gerhard Knies), стало практически лозунгом оптимистически настроенных европейцев, полагающих, что они смогут воспользоваться еще одним природным ресурсом Африки – солнечной энер-

189

гией [5]. Над пустыней Сахара солнце светит 4800 ч в год – втрое дольше, чем над Германией. Гелиотермические станции, расположенные на площади 300×300 км, способны обеспечить энергией весь мир.

						Таблица 6.4
	Крупнейшие солнечные электростанции в мире
Пиковая	Место-				Производство
мощность,				Описание		энергии,
	нахождение
МВт					ГВт· час/год
46	Amareleja,			Более 262 тыс. солнечных	93
	Португалия			модулей
24	Республика			131 тыс. самонаводящих-	40
	Корея			ся панелей, территория
				площадью 670 тыс. м2
11	Serpa,			52 тыс. солнечных	20
	Португалия			модулей
9	Республика			194 тыс. м2	14
	Корея
6,3	Mühlhausen,			58 тыс. солнечных	6, 7
	Германия			модулей
5	Bürstadt,			30 тыс. солнечных	4, 2
	Германия			модулей BP
5	Espenhain,			33,5 тыс. солнечных	5
	Германия			модулей Shell
4,6	Springerville,			35 тыс. солнечных	7, 7
	США			модулей BP
4	Geiseltalsee,			25 тыс. солнечных	3,4
	Merseburg,			модулей BP
	Германия
4	Gottelborn,			50 тыс. солнечных	8,2
	Германия			модулей
4	Hemau,			33 тыс. солнечных	3,9
	Германия			модулей
3,9	Rancho	Seco,		33 тыс. солнечных	3,8
	США (рядом с			модулей
	АЭС,	закры-
	той в 1989 г.
	по итогам ме-
	стного	рефе-
	рендума)

190