WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

концентрированного солнечного То, что гетеропереходные солнечные фотоэлементы излучения на основе арсенида галлия могут эффективно работать До сих пор мы не рассматривали еще одну воз- при значительном (в сотни и даже тысячи раз) конценможность для увеличения кпд фотоэлектрического пре- трировании светового потока и выгодно отличаются в образования. Речь идет о переходе к преобразованию этом отношении от кремниевых, было отмечено еще предварительно сконцентрированного солнечного излу- на рубеже 1970-х-1980-х годов. К этому времени отчения. Предельная расчетная кратность концентриро- носятся первые опыты по созданию концентраторных Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 944 Ж.И. Алфёров, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев фотоэлектрических модулей с сильноточными гетерофотоэлементами [13]. Генерируемый фототок возрастал линейно с увеличением светового потока, а выходное напряжение в свою очередь возрастало с увеличением тока по логарифмическому закону. Таким образом, выходная мощность росла сверхлинейно при концентрировании излучения и эффективность фотоэлектрического преобразования увеличивалась. Данная ситуация могла быть использована на практике, если больший ток не создавал заметного падения напряжения на внутреннем сопротивлении фотоэлемента. Радикальное снижение внутренних омических потерь становилось ключевой проблемой при разработке концентраторных фотоэлементов. Перспектива увеличения кпд при работе с концентраторами излучения выглядела весьма заманчиво. Однако главной движущей силой при создании концентраторных модулей была возможность снижения расхода полупроводниковых материалов для выработки заданной электрической мощности пропорционально кратности концентрирования светового потока. В этом случае полупроводниковые фотоэлементы относительно малой площади перехватывали солнечное излучение, находясь в фокальной плоскости концентраторов — фокусирующих зеркал или линз, выполненных из сравнительно дешевых материалов. Вклад стоимости фотоэлементов в стоимость солнечных модулей становился незначительным, в то время как эффективность модулей напрямую зависела от эффективности используемых фотоэлементов. Таким образом, создавались предпосылки Рис. 8. a — схематический вид концентраторного солнечного для экономически оправданного использования в наземэлемента; b — зависимости эффективности преобразования ной энергетике наиболее эффективных, хотя и дорогих, от кратности концентрирования солнечного излучения для фотоэлементов на основе соединений AIIIBV [14,15].

однопереходного солнечного элемента на основе AlGaAs/GaAs С начала 1990-х годов в практике создания солнечных для условий облучения АМ0 и АМ1.5.

концентраторных систем возникло новое направление, базирующееся на концепции малоразмерных модулей, имеющих все предпосылки для обеспечения высокоэффективного и экономически оправданного фотоэлектри- щего основания. Особенно важно, что толщина теплоотческого преобразования солнечного излучения [14–19].

вода тоже уменьшается пропорционально уменьшению При уменьшении линейных размеров концентратора и линейных размеров коцентратора в модуле, что привосохранении заданного отношения размера апертуры к дит к резкому снижению расхода металла при изготовфокусному расстоянию сохраняется и значение кратнолении такого модуля. Таким образом, в концепции масти концентрирования излучения. Однако в этом случае лоразмерных концентраторных модулей преимущества строительная высота модуля уменьшается из-за более концентраторных систем (повышение кпд, экономия покороткого фокусного расстояния линз. Линейные разлупроводниковых материалов) могут быть реализованы меры фотоэлементов сокращаются до 1-2мм (рис. 8), при сохранении в целом распределенного характера так что их монтаж может быть обеспечен с помощью преобразования солнечного излучения и теплосброса автоматического оборудования, используемого для мон(как в системах без концентрирования излучения).

тажа дискретных приборов при массовом производстве Следует отметить, что при рассмотрении перспектив продукции в электронной промышленности. При малых крупномасштабной солнечной электроэнергетики расход линейных размерах фотоэлементов толщина подложки любых, даже самых обычных, конструкционных матедля выращивания структур может быть уменьшена, а риалов может быть экономически оправдан лишь при доля полезно используемой площади пластин увеличена, высокой эффективности преобразования в расчете на что ведет к дополнительной экономии (кроме факта всю фотоприемную поверхность. Это связано с необконцентрирования излучения) полупроводникового маходимостью покрывать значительные площади земной териала. Монтаж может быть осуществлен без сложной компенсации коэффициентов теплового расширения ма- поверхности для перехвата излучения при выработке териалов фотоэлемента и металлического теплоотводя- больших мощностей.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики вая панель имеет композитную структуру. Здесь лист обычного силикатного стекла, защищающий модуль с фронтальной стороны, служит основой для тонкого, выполненного из прозрачного силикона и расположенного на внутренней стороне стекла френелевского профиля, фокусирующего солнечный свет. Основанием для панели фотоэлементов также служит лист силикатного стекла, через который осуществляется теплосброс. Таким образом, дешевое и стабильное по свойствам стекло становится основным конструкционным материалом концентраторного модуля. Расход силикона оптического качества здесь сведен до минимума, необходимого для формирования преломляющих микропризм (средняя толщина около 0.2 мм). Для соединения и герметизации стеклянных частей модуля служит обычный строительный силикон (рис. 9). Благодаря применению наиболее стойких к излучению и атмосферным воздействиям материалов (стекло и силикон) данные концентраторные модули имеют наилучшие перспективы для долговременной работы. В экспериментальных „полностью стеклянных“ модулях оптическая эффективность линз Френеля достигала 89%. При использовании двухкаскадных InGaP/InGaAs-фотоэлементов с кпд 30% (АМ1.5 d) кпд модуля, измеренный в натурных условиях, составлял 24.8% в расчете на мощность излучения, падающую на поверхность линз [17].

Дальнейшее совершенствование модулей рассматриваемой конструкции идет по пути увеличения кратности концентрирования солнечного излучения. В частности, при размерах каждой единичной линзы в субмодуле 4 4см2 высокая оптическая эффективность обеспечивается при применении фотоэлементов с диаметром Рис. 9. a — поперечный разрез концентраторного модуфоточувствительной поверхности 2 мм (рис. 8), что ля: 1 — основа линзовой панели, выполненная из стекла;

соответствует кратности концентрирования около 500.

2 — микропризмы линз Френеля, выполненных из силикона;

Дальнейшее уменьшение размеров фотоэлементов и 3 — сфокусированные солнечные лучи; 4 — солнечный элепереход к кратностям концентрирования 1000 и более мент, смонтированный на металлическом основании; 5 —освозможны при использовании вторичных минилинз с нова панели солнечных элементов, выполненная из стекла.

гладким профилем, расположенных в непосредственной b — система со вторичными минилинзами для увеличения кратности концентрирования солнечного излучения. близости от фотоэлементов (рис. 9). В этом случае вторичные линзы также могут быть объединены в панель (рис. 10) [18,19]. При высококонцентрированном солнечном облучении использование многопереходных Очевидно, что устройства преобразования должны фотоэлементов имеет дополнительные преимущества.

быть защищены от атмосферных воздействий для обес- При увеличении количества каскадов выходное напряпечения их долговременной (в течение 20-30 лет) работоспособности. В этом отношении многообещающей выглядит конструкция „полностью стеклянных“ концентраторных модулей (рис. 9, 10), разрабатываемых в последние годы в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в кооперации с Фраунгоферовским институтом солнечных энергосистем (г. Фрайбург) [16,17].

Малоразмерные линзы Френеля здесь объединены в интегральную панель. В панель объединены также и смонтированные на тонких (0.5 мм) металлических теплоотводах концентраторные фотоэлементы. Обе эти паРис. 10. Экспериментальный фотоэлектрический модуль для нели скреплены стеклянными боковыми стенками, так преобразования концентрированного солнечного излучения с что внутренний объем модуля герметизирован. Линзо- панелью из 48 линз Френеля.

4 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 946 Ж.И. Алфёров, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев жение увеличивается, а фототок уменьшается. Благодаря мой электроэнергии. Важно также то, что можно построэтому обстоятельству снижаются внутренние омические ить солнечные электростанции значительной мощности, потери при собирании тока, так что высокий кпд сохра- не развертывая при этом в больших объемах новое няется при более высоких кратностях концентрирования полупроводниковое производство. Ведь в данном случае излучения. основные усилия будут связаны с изготовлением не В отношении практического использования фотопре- фотоэлементов, а механических частей конструкции конобразователей концентрированного солнечного излуче- центраторных модулей и поддерживающих устройств, ния могут существовать определенные опасения, связан- для изготовления которых производственная база уже ные с необходимостью обеспечения слежения концен- существует.

траторных модулей за Солнцем. Действительно, в этом Между тем проблема развертывания новых производслучае для размещения модулей требуется создание ственных мощностей полупроводниковой промышленноспециальных опорно-поворотных устройств, оснащен- сти уже в ближайшее время может стать актуальной в ных датчиками положения Солнца и электропривода- связи с необходимостью обеспечения космической техми. По сравнению с размещением обычных модулей ники высокоэффективными фотоэлементами на основе без концентраторов это приводит к дополнительному соединений AIIIBV. И здесь концентраторный подход расрасходу конструкционных материалов и расходу энер- сматривается как один из возможных вариантов решения гии на слежение. Но даже в обычном модуле при проблемы. В условиях космоса в качестве концентратопостоянном слежении за Солнцем за световой день ров излучения наиболее перспективным представляется вырабатывается на 30-40% больше энергии, чем без применение линейных линз Френеля. Это позволяет слежения. Учитывая эту прибавку и факт более высо- использовать относительно точное слежение за Солнцем кой эффективности концентраторных модулей, можно только вокруг одной оси, параллельной микропризмам сказать, что это компенсирует дополнительные затра- линз, в то время как вокруг второй оси слежение может ты на материалы. Что касается затрат электроэнергии быть осуществлено значительно грубее. Кратности конна слежение, то они составляют в экспериментальных центрирования излучения при этом обычно составляют установках лишь 0.2-0.3% от энергии, вырабатываемой (6-10). Преломляющийся профиль в линзах выполняконцентраторными модулями, размещенными на этих ется из прозрачного силикона. Для космических приустановках [18,19]. менений линзы могут иметь очень тонкую ( 0.1мм) Не следует противопоставлять обычные и концентра- стеклянную основу [23] или даже не иметь ее вовсе [24].

торные модули при оценке перспектив развития сол- В первом случае лист стекла, легированного двуокисью нечной фотоэлектроэнергетики. И те, и другие должны церия, выполняет функцию защиты линзы от ультрафииспользоваться в будущих системах электроснабжения. олетового излучения и действия высокоэнергетических По-видимому, обычные модули с фотоэлементами из частиц. Во втором случае на фронтальную поверхность кристаллического кремния или тонкопленочных струк- силиконовой линзы наносятся многослойные защитные тур составят основу децентрализованной системы выра- покрытия. В обоих случаях фотоэлементы оказываются ботки электроэнергии. Принадлежащие широкому кругу лучше защищены от неблагоприятных воздействий, чем лиц, устанавливаемые на крышах и стенах домов и со- это имеет место в солнечных батареях без концентраоружений, объединенные в сеть, они будут олицетворять торов. Радиационная стойкость батарей повышается и собой „демократические принципы“ новой энергетики в за счет работы при более высокой плотности фототока, сравнении с „диктатурой“ энергетических гигантов, име- достигаемой при концентрировании солнечного излучеющей место в настоящее время. Однако для покрытия ния. Повышение плотности тока становится особенно энергетических потребностей энергоемких производств, важным при запусках космических объектов в сторону муниципальных сообществ и т. д. будет необходимо от Солнца. В этом случае концентрирование излучесоздание достаточно крупных солнечных станций, обес- ния компенсирует эффект уменьшения кпд фотоэлеменпечивающих минимальную стоимость вырабатываемой тов, наблюдаемый при снижении плотности мощности электроэнергии. Такие станции, размещаемые на специ- солнечного света. Для условий околоземного космиально отведенных территориях и обслуживаемые специ- ческого пространства возможна реализация удельной альным персоналом, также будут частью децентрализо- мощности на единицу веса концентраторной солнечной ванной энергетической системы. Применение концентра- батареи 180 Вт/кг и удельной мощности на единицу торных фотоэлектрических модулей при создании таких площади 300 Вт/м2 [24]. Эти параметры ожидаютстанций выглядит вполне естественным решением. Су- ся при использовании трехкаскадных InGaP/GaAs/Geществуют многочисленные экономические оценки (см. фотоэлементов и не могут быть достигнуты ни в каком например, [20–22]), согласно которым концентраторная другом типе космических солнечных батарей. Разрабофотоэлектроэнергетика в ближайшие десять лет может танные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе космические модули с стать не только наиболее экономически эффективной короткофокусными (23 мм) линейными линзами Френесреди других устройств для фотоэлектрического преоб- ля позволяют применять их вместо обычных плоских разования, но и составить конкуренцию существующим батарей без изменения конструкции транспортных контрадиционным источникам по стоимости вырабатывае- тейнеров.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики 6. Заключение [7] V.M. Andreev, A.B. Kazantsev, V.P. Khvostikov, E.V. Paleeva, V.D. Rumyantsev, M.Z. Shvarts. Proc. 1 st World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion (Hawaii, 1994) р. 2096.

Мы являемся свидетелями и участниками многих [8] V.M. Andreev, I.V. Kochnev, V.M. Lantratov, M.Z. Shvarts.

интересных и важных процессов, происходящих в настоProc. 2nd World Conf. on Photovolt. Solar Energy ящее время в научно-технической сфере. ПолупроводниConversion (Vienna, 1998) p. 3757.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.