КОНЦЕНТРАТОРЫ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА

С детства многие помнят что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечныхпреобразователей прямого действия. Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные - стеклянные, либо из полированного алюминия. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида (а); параболоида вращения (б); плоско-линейной линзы Френеля (в). Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует систему параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, нагреваемым до 350^oС. Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем. Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга. Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклуСтирлинга, получаемой мощности (1 кВт) достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 м3 воды в час. В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Первые фотогальванические элементы ,были сделаны из селена (сернистое серебро), сейчас большинство – из кремния (80%).

Спектральная чувствительность селенового фотогальванического элемента и человеческого глаза.

Спектральная характеристика селенового фотогальванического элемента (селен взят с примесью телура) охватывает почти весь интервал видимого света.

 

На форму характеристик оказывают влияние и другие примеси (например сера).

Интегральная чувствительность достигает 600 мка/лм. Зависимость э.д.с. от величины светового потока нелинейна в еще большей мере, чем зависимость фототока от светового потока.

 

 

При освещении переменным световым потоком с частотой модуляции около 1 кгц фототок падает примерно вдвое по сравнению с постоянным освещением той же интенсивности и того же спектрального состава.

Селеновые фотогальванические элементы нашли широкое применение для фотометрирования.

Сернистоталлиевые фотогальванические элементы обладали значительной интегральной чувствительностью, доходящей да 11000 мка/лм, однако их чувствительность необратимо падала до 40-30% начальной за 2-3 месяца. По этой причине практического применения они не получили. Максимум спектральной чувствительности лежит в ближайшей инфракрасной области спектра.

Сернистосеребряные фотогальванические элементы обладают довольно высокой интегральной чувствительностью, достигающей в отдельных случаях свыше 8000 мка/лм. Частотные характеристики их неудовлетворительны; области применения – фотометрия, фотоколориметрия.

Кремниевые фотоэлементы находят все большее широкое применение в качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую энергию. Спектральная характеристика их показана на этом рисунке. Ее максимум приходится на излучение с длиной волны около 0.75 мк.

 

 

Данные некоторых типов фотогальванических элементов приведены в таблице.

 

Материал	Марка	Интегральная чувствительность	Максимум Чувствите- льности	Внутренние сопротивление
Селен     Сернис- тое серебро	К-15 К-10 К-20 ФЭСС-У-2 ФЭСС-У-3 ФЭСС-У-5 ФЭСС-У-10	250-500   у средних 3500-4500 у лучших 7000-8000	0.55     0.85	1.10- 5*10   1500-3000 1000-2000 700-1400 400-800

 

РЕНТАБЕЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для пожилого фермера из индийского штата Гуджарат Вальджи Хирджи Рамджийани (Valji Hirji Ramjiyani) наступила солнечная революция. Насос с приводом от солнечной батареи, который орошает его землю, экологически чище, надежнее и удобнее, чем его старая дизельная система. «В своей жизни я еще не получал столько выгоды от земледелия, а все благодаря солнечному насосу», — говорит он.

Более 1000 индийских ферм, а также большое количество продавцов в палатках, поменявших керосиновые лампы на солнечные фонари, получили пользу от новых финансовых схем по продвижению использования солнечного фотогальванического (PV) оборудования. Эти схемы разработала неприбыльная компания Aurore, находящаяся в Тамилнаду. 24 июня она получила категорию предприятия в рамках Эшденских премий по устойчивой энергии (Ashden Awards for Sustainable Energy). Эти премии созданы благотворительной организацией Sainsbury Family Trust. Менеджер проектов Aurore Хермант Ламба (Hermant Lamba) уверен, что через несколько лет индийский рынок солнечной энергии будет процветать. Снижение затрат сделает технологию, которая сегодня требует правительственных субсидий, конкурентной. «К 2007 г. солнечная энергия станет очень серьезным бизнесом», — говорит он.

Солнечные фотогальванические элементы могут быть так же рентабельны, как сферы, не связанные с энергосетями. Но перед отраслью солнечной энергии стоит серьезный вопрос: имеет ли она возможности сокращать затраты достаточно, чтобы соперничать с энергией, производимой электростанциями?

Привлекательность использования энергии солнца коренится в ее экологической эффективности, снижении затрат и изобилии. «Солнечная энергия может полностью удовлетворять мировой спрос на энергию, используя менее 1% земли, которая сегодня используется в сельском хозяйстве», — сказал в прошлом году премьер-министр Великобритании Тони Блэр. Но есть причины и для скептицизма. Рост нынешнего рынка солнечных фотогальванических элементов в 30% в год в большой степени зависит от правительственных стимулов. Затраты на производство солнечных элементов почти в 10 раз выше средней оптовой цены на электричество. Кроме того, солнечные фотогальванические элементы обычно должны действовать 1—4 года, чтобы производить столько энергии, сколько понадобилось на их производство.

Улучшенные методы и широкие масштабы производства могут способствовать дальнейшему снижению цен. Международное энергетическое агентство подсчитало, что с каждым удвоением объема солнечных элементов затраты сокращаются почти на 20%. Если такие темпы производства будут продолжаться, к 2020 г. солнечные элементы смогут составить конкуренцию розничной электроэнергии. Но даже такие большие сокращения затрат потребуют согласованных усилий правительств. Исполнительный директор Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) Клаус Топфер (Klaus Toepfer) недавно сказал: «Многие различные формы возобновляемой энергии не станут «мейнстримом» без существенной поддержки научно-исследовательских работ, стимулов и развитых рынков, где затраты на охрану окружающей среды и социальные издержки включены в стоимость энергии».

Более того, солнечная энергия может не стать жизнеспособной альтернативой ископаемому топливу настолько скоро, чтобы предотвратить опасное глобальное потепление. Вот мнение выдающегося ученого Джеймса Ловлока (James Lovelock), недавно шокировавшего некоторых своих поклонников в движении по охране окружающей среды, выступив в защиту использования ядерной энергии для борьбы с климатическими изменениями: «Возобновляемая энергия может быть хорошей идеей в долгосрочном плане и представляет собой прекрасную возможность, чтобы политики доказали, что они что-то делают. Но уже слишком поздно ожидать, что это сыграет важную роль; глобальное потепление имеет место и, вероятно, будет усиливаться».

Кроме того, некоторые эксперты утверждают, что крайняя необходимость развивающихся стран в энергии достаточно быстро будет удовлетворена только с использованием самых дешевых из существующих источников энергии. Всемирный банк совсем недавно отклонил рекомендации, изложенные в обзоре «Состояние и перспективы добывающих отраслей промышленности», о том, что банк должен сместить свое финансирование с нефтяных проектов на возобновляемую энергию, хотя он пообещал увеличить расходы на возобновляемую энергию на 20% в год. Но преимущества, предлагаемые ископаемым топливом, над солнечной и другой возобновляемой энергией могут быть обманчивыми. Согласно отчету, недавно опубликованному лондонским аналитическим центром New Economics Foundation, если реальные затраты на охрану окружающей среды и здравоохранение благодаря ископаемому топливу были бы интернационализированы, их цена резко бы возросла, а формы возобновляемой энергии немедленно стали бы конкурентоспособными. Кроме того, большая часть ценового преимущества ископаемого топлива существует благодаря крупным прямым и непрямым субсидиям, которые они получают, говорится в отчете NEF. Для сравнения, формы возобновляемой энергии уже имеют большую ценность: «Всю неэлектрифицируемую Африку к югу от Сахары можно было бы обеспечить энергией, производимой небольшими солнечными станциями, используя 70% от фондов, которые страны ОЭСР ежегодно тратят на субсидирование грязной энергии».

Фотогальванический эффект (PV) — прямое производство энергии под воздействием света — был открыт 200 лет назад. Но исследование PV не проводилось до 1950-х гг., пока космическая программа не возбудила интерес к источникам надежной и долгосрочной энергии для орбитальных спутников. Улучшенные методы производства в течение последних 20 лет позволили резко сократить затраты на производство PV. Но сегодня отрасль ищет технологического прорыва, который существенно сократил бы стоимость солнечной энергии, позволив ей конкурировать с другими формами энергии.

Большинство используемых солнечных элементов является устройствами первого поколения, в основе которых лежат кристаллические кремниевые пластины. В устройствах второго поколения — тонкопленочных солнечных элементах — используются полупроводниковые материалы толщиной всего несколько микрон. Но сегодня правительства поддерживают исследования солнечных элементов третьего поколения, в которых будут использоваться новые недорогие материалы. «Фотогальванические элементы третьего поколения произведут настоящий фурор. Они несут в себе возможности огромного снижения затрат», — говорит Том Делей (Tom Delay) из британской компании Carbon Trust, финансируемой правительством, которая занимается развитием низкоуглеродистых технологий.

Некоторые технологии, включая нанотехнологию, подают большие надежды. Но развитие «органических» солнечных элементов, созданных из небольших углеродных молекул, вызвало особый интерес. Впервые органические фотоэлектрические пленки были созданы в 1986 г. В течение более 15 лет эффективность новых элементов — пропорция существующей световой энергии, которую она преобразовывала в электрическую энергию, — оставалась на неизменном 1% по сравнению с более 15% традиционных элементов. В сентябре прошлого года инженеры-электрики из Принстонского университета сделали большой шаг вперед. Изменив органические компоненты, использовавшиеся для производства их солнечных элементов, они создали устройства с эффективностью более 3%. По их словам, если эффективность будет увеличена более чем до 5%, новые элементы будут рентабельны. Пусть и менее эффективный, новый класс солнечных элементов будет дешевле и более универсальным, чем традиционные элементы.