Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в электрическую называют прямым превращением, так как в этом процессе отсутствует рабочее тело, состояние которого периодически меняется при контакте с источниками, имеющими различные температуры.

Суть явления заключается в том, что при попадании солнечного излуче­ния на полупроводник последний активизируется и становится электропро - одным. В нем возбуждается ЭДС, а при подключении внешней нагрузки в цени появляется электрический ток.

фотоэлектрический эффект впервые обнаружил Эдмунд Беккерель в 1839 г в химических реакциях. Спустя 40 лет фотоэлектричество обнаружено в се­лене. Транзистор изобретен в 1949 г., а через пять лет, в 1954 г. объявлено о том, что в ячейке из кремния достигнут КПД, равный 6%.

Солнечная энергия для питания бортовых приборов впервые использо­вана на американском спутнике Авангард-1 и 3-ем советском спутнике в 1958 г с тех пор фотопреобразователи являются основой электрогенерирующих систем, которые применяются на космических спутниках и станциях.

Принцип работы фотоэлектрического преобразователя заключается в следующем. Химически чистые полупроводники —- это класс веществ, кото­рые в обычных условиях характеризуются полным отсутствием свободных электронов.

У них, как и у диэлектриков, вся валентная зона заполнена. Но в отличие от последних энергетический уровень зоны проводимости незначительно от­личается от уровня валентной зоны. Это различие называют запрещенной зо­ной Eg. Ее ширина у полупроводников не превышает 2 эВ. Если при каком - нибудь воздействии -— повышении температуры, облучении солнечным све­том, увеличении давления, наложении электромагнитного поля — электрон преодолевает ширину запрещенной зоны и попадает в зону проводимости, он приобретает возможность перемещаться, а вещество становится электропро­водным.

При повышении температуры тепловое движение частиц разрывает элек­тронные связи, и появляются свободные электроны. Их число растет с увели­чением температуры. Одновременно возрастает проводимость. Вблизи поки­нутого электроном места возникает избыточный положительный заряд, рав­ный по величине электрону. Его называют дыркой. Она служит носителем положительного заряда.

Таким образом, в идеальных кристаллах электроны и носители положи­тельных зарядов возникают парами и передают ток. Реальные кристаллы имеют дефекты и посторонние примеси, поэтому явление проводимости в них обусловлено одним типом носителей. Так, кристалл кремния может иметь ли­бо избыток электронов, либо избыток дырок.

Если 4-валентныЙ кремний легируется атомами элементов 5 группы таб - лиш Менделеева (фосфором Р, мышьяком As, сурьмой Sb), то в нем преобла­дают свободные электроны (отрицательная п-проводимость). При добавлении атомов элементов 3 группы (бора В, алюминия А1, галлия Ga, индия In) соз­даются положительные носители — дырки (положительная р-проводимость). Соединение областей кремния с п-проводим остью И С р-ПрОВОДИМОСТЬЮ формирует р-п-переход — внутреннее электрополе.

В мо ко кристаллическом кремниевом фото преобразователе (рис, 1.22) толщиной 200-400 мкм фронтальный тонкий слой 1 (0,2-0,6 мкм) имеет п - проводимость, а базовый слой 2 — р-проводимость. Верхний слой насыщается атомами фосфора из газообразной ^атмосфера азота с добавкой хлористокис­лого фосфора), жидкой (РОС!;) или твердой (Рз05) фазы при высокой темпе­ратуре методом диффузии. Р-проводимость базового слоя создается путем до­бавления бора в расплав при изготовлении слитка, который затем разрезается на пластинки.

Рис. 122. Монокристалл и ческий кремниевый фотопреобразователь

Электрические контакты низкого сопротивления формируют печатным способом, фотолитографией и т. д. Вначале в вакуумной камере испаряют и осаждают на кремний слои алюминия 3, титана 4, затем палладия 5 и серебра или никеля 6. Палладий предотвращает химическое взаимодействие титана с серебром. Затем с передней стороны наносятся антиотражающее и просвет­ляющее покрытия 7 и устраиваются электрические контакты 8 на обеих сто­ронах.

Таким образом, в кристалле кремния созданы области с п и n п моСтью. В каждой из них концентрация основных носителей выше чемТ"' седней, где они являются неосновными. Возникает диффузия мп<: СО'

сителей В сторону меньшей концентрации: свободных элекзроноГв^Г'* "°' проводимости, дырок - В Область п-проводимости Пои nl ^ЛЭСТЬ Р~ „ЫХ электронов в зону С большой концентрацией дырок пооис ИН ПОДВИЖ'

38UW (рекомбинация) пары носителей. Подобное явление nnolT^ падании дырок в область повышенной концентрации своболГ ^ "РИ ™' ноенгелей а„йвво про„аад1|т “НЭ*'7Н<Ж-

„„„. „ WK>4„„«« „ сюбоаной поверхностиі адб„,^7э‘““чие;

бора-

На месте ушедших электронов остаются положительно заряженные ионы, не принимающие участия в проводимости из-за жесткой связи с кристалличе­ской решеткой. Переходя в зону n-проводимости, дырки оставляют непод­вижные. связанные с решеткой отрицательно заряженные ионы.

Таким образом, вблизи границы двух зон полупроводника получается пе­реходная область (рис. 1.23), которая практически не содержит подвижных носителей заряда. В ней создается потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии. Электрическое поле р-п-перехода разделяет электроны и дырки.

р-проводимость п-проводимость © © © © © © 00 © © 0©

Движение__ р. Движение

дырок <— электронов

Рис. 1.23. Схел/a формирования p-n-nepexoda

Продолжающаяся диффузия носителей и их рекомбинация в конце кон - ЦОв настолько увеличивают напряженность электрополя по р-п-переходу, что °н превращается в диод. Тогда электроны, подходящие к зоне п-проводимости
от внешнего источника напряжения, свободно текут через барьер. Если элек - троны подводятся к зоне с р-проводимостъю, такого тока нет.

Облучение или нагревание фотоэлемента с р-п-переходом генерирует до. полнительные свободные носители, а встроенное электрическое поле переме. щает их через переход. При замыкании внешней цепи по ней потечет ток, ве. личина которого пропорциональна световому потоку или тепловому воздейст. вию.

Процесс передачи энергии фотонов попадающего в полупроводник света к электронам имеет свои особенности в различных материалах. По этому при - знаку различают «прямые» и «непрямые» переходы. Полупроводники с пря - мым переходом характеризуются тем, что у них переход электрона в зон) проводимости осуществляется только за счет энергии поглощенного фотона, как например, в кристалле арсенида галлия GaAs. Непрямые переходы явля­ются более сложными. В этом случае превращение фотона в пару электрон - дырка происходит при участии кванта энергии колебаний решетки — фонона. Широко применяемый в фото преобразователях кремний — это представитель кристаллов с непрямым переходом.

Следствием разных способностей материалов поглощать фотоны света является то, что толщина слоев, в которых происходит поглощение, значи­тельно различается. Прямые полупроводники имеют толщину в несколько микрометров, а толщина непрямых — на два порядка больше.

Свойства некоторых полупроводниковых материалов изображены на рис. 1.24.

Эффективность работы фотоэлектрического преобразователя оценивается величиной его КПД, который представляет собой отношение максимальной генерируемой мощности Рщц = Ш к мощности падающего на него солнечного излучения. Генерируемая мощность рассчитывается с помощью волът - амперной характеристики (рис. 1.25 для Si), которая строится при стандарт­ных условиях испытаний: солнечная радиация 1000 Вт/м2; масса атмосферы AM 1,5; температура? = 25°С.

Температура в испытаниях должна быть стабильной, так как ее повыше­ние сказывается на процессе рекомбинации носителей (и, следовательно, на величине КПД элемента). Так, например, понижение КПД у кремниевых пре­образователей составляет 0,45-0,46%/° С.

Рис. 1.24. Величины запрещенных зон различных полупроводников

Рис. 125. Вольт-амперная характеристика кремниевого фотопреобразовамедя

До недавнего времени КПД моно кристаллического фото преобразователя из кремния не превышал 12-13%. Поэтому предпринимаются попытки увели­чить его.

Одной из мер, значительно влияющих на эффективность фотопреобразо­вателя из монекристаллического кремния, является удаление примесей и по­вышение чистоты кристалла Si. Для этого проводят зонную переплавку с по­мощью высокочастотного индуктора. При этом расплав не контактирует с инородными материалами, примеси и посторонние включения выводятся в конечную часть слитка, которую удаляют. Таким методом австралийские ис - Сл. едователи добились КПД, равного 23,3%.

Еще одно направление — применение пассивации. Было обнаружено, что любая свободная поверхность Si или промежуточная поверхность с другими материалами вызывает появление центров рекомбинации, т. е. взаимного слияния дырок и электронов, что влечет за собой соответствующие потери. Покрытие свободных поверхностей окислом SiO 2 и нанесение его ТОНКИМИ промежуточными слоями на контактах подавляет эти потери. Пассивирован­ная таким образом ячейка из Si продемонстрировала КПД 24% [18].

Существенно снижаются потери фотопреобразователя, на поверхность которого наносится тончайший слой антиотражающего покрытия. К примеру, при однослойном покрытии отражение солнечной радиации снижается с 30 до 10%. Дополнительная химическая обработка поверхности формирует на ней маленькие пирамиды (процесс текстурирования, рис. 1.26).

Отраженный одной пирамидой свет попадает на грани второй и так далее. Фактически он уже не отражается в окружающую среду. Наличие однослой­ного антиотражающего покрытия и текстурированной поверхности снижает потери до 1%.

Принципиально новые возможности преобразования солнечной энергии открываются при создании фотоэлементов с гетеропереходами. Встроенные электрические поля в этих элементах обусловлены не наличием зон неодно­родно легированного полупроводника, а соединением химически различных материалов. Так, поверхностно-барьерный элемент имеет встроенное поле, образованное зарядами на поверхности раздела полупроводник — полупро­водник или металл — полупроводник. Развитием гетеропереходов служат ва - ризонные структуры, в которых ширина запрещенной зоны меняется с плав­ным изменением химического состава вещества в глубь кристалла от его по­верхности, и на некоторой глубине расположен рю-переход.

Подобные структуры формируются в сложных веществах типа GaAIAs — Г S _су ZnS. Причем широкозонные материалы или слои располага-

GaASj

ютСЯ сверху, а узкозонные снизу.

Поверхность раздела гетеропереходов характеризуется низкой скоростью мбинации носителей заряда, поэтому КПД таких элементов значительно повышается. Фотопреобразователи из GaAs достигают КПД порядка 25%.

Технология производства кремниевых элементов. Объем производства фотопреобразователей из монокристаллического кремния составляет 60-65% обшего выпуска этих устройств. Кремний широко распространен в природе. 60% земной коры состоит из кварцита или диоксида кремния. Мировое произ­водство кремния с чистотой 99%. для металлургических целей составляет при­близительно 600 000 т в год. Этот кремний производят в электродуговых пе­чах. Получаемая при переплавке чистота не устраивает электронную про­мышленность. Поэтому выплавленный кремний подвергают очистке при переводе его в раствор с последующим испарением. Осаждаемый поликри - сталлический кремний имеет химический состав «солнечного качества» — 99,99%. Затем применяется базовый процесс по методу Чохральского. Из рас­плава при 1500°С вытягивают слиток монокристаллического кремния, кото­рый кристаллизуется со скоростью 0Д-0,2 см/мин. Обычно прямоугольное се­чение слитка имеет размер 10x10 см. Для круглой заготовки диаметр равен 10-15 см. Масса слитка колеблется от 40 до 150 кг при длине 1-3,5 м.

Блоки поликристалл ического кремния размером 43x43 см получают лить­ем в тигель, контролируя скорость охлаждения.

В дальнейшем полученные слитки разрезаются на пластинки толщиной ДО 300 мкм с помощью тонких проволочек с алмазным абразивным слоем. Пластинки подвергаются химической и механической полировке. Весь техно­логический процесс изготовления пластинок медленный и дорогостоящий. Превращение металлического кремния в пластинку для фотопреобразователя изменяет стоимость материала от 2 до 1300 долл./кг.

Кроме рассмотренных технологий, применяют вытягивание тонких лис - тов кремния из расплава через графитовую форму. Метод отличается большой лроизводительностью. Можно получать профили в виде тонкостенных труб и многогранников.

Ленты из моно кристаллического кремния формируют на керамической подложке и на графитовой ткани. Слои аморфного кремния толщиной 1-2 мкм непрерывно осаждаются на поверхности фольги из нержавеющей стали толщиной 125 мкм, создавая гибкие солнечные элементы.

Известно, что ЭДС, развиваемая фотопреобразоватслем, пропорций' нальна потоку солнечной радиации. Следовательно, концентрация излучения должна повышать КПД преобразующих устройств как на основе монокри - сталлическот кремния, так и на базе сложных структур. На рис. 1.27 изобра - жена зависимость КПД элемента е р-п-переходом в гомогенном материале от ширины запрещенной зоны полупроводника при различной степени концен­трации излучения. Реализация теоретических исследований привела к значи­тельному росту величины КПД за последние 20-25 лет (рис. 1,28).

Так, в конце 80-х годов прошлого века кремниевые преобразователи дос­тигли КПД, равного 28% при концентрация 150 солнц. Расчетный КПД для этих ячеек составляет 48%. Концентрированное излучение на ячейках из GaAs повысило их КПД до 28%.

1- lOOOx

2- 1 ООх

3- 1 Ох

4-

без концентратора

Отметим, что значительная концентрация излучения возможна только в условиях прямой солнечной радиации. При этом необходимо принимать меры для эффективного охлаждения фотопреобразователя во избежание снижения его КПД.

Концентраторы солнечной радиации. Применение концентраторов не только увеличивает энергетическую эффективность фотопреобразователей, но и снижает их стоимость. Наличие концентратора позволяет сокращать раз­меры дорогостоящих полупроводников. Важным требованием, которое предъ­является к концентрирующим системам, является обеспечение равномерности плотности потока лучистой энергии на поверхности фотопреобразователя. Среди основных концентрирующих устройств различают системы с отра - жающими и преломляющими элементами (рис. 1.29). Фоклины (рис. 1.29, а), образованные плоскими отражающими поверхностями, способны увеличить плотность потока излучения до 2,5 раз.

Фокон (рис. 1.29, б) — это тело вращения, обеспечивающее степень кон - чентрации порядка 6.

Оба концентратора при определенных условиях допускают работу фото­преобразователя в течение всего года в неподвижном состоянии, но при этом значительно меняется освещенность солнечного элемента. Концентрические плоские линзы Френеля (рис. ] .29, в) — это устройства с выступами if впади­нами на одной поверхности, которые изготавливаются из пластика, характери­зуются равномерным распре делением концентрированного излучения на по­верхности фото преобразователя. С их помощью можно достигать концентра­ции потока радиации в пределах от 15 дс 250 солнц. Параболоиды (рис. 1.29, г) способны создаэ ь гораздо более концентрированный поток солнечной энер гии, но они требуют применения двухосной системы слежения за Солнцем. Широкое применение нашли параболоцилиндрические концентраторы. В Рос­сии разработаны оригинальные концентраторы — призмоконы (рис. 1.29, д).

Сол

жается

грани, солнечный элемент. Призмоконы создают концентрацию от двух

установлю

ескольких десятков единиц, могут работать без системы слежения и ис - Д°льзук>тзначительную долю рассеянной радиации вместе с прямой.

Тонкопленочные солнечные элементы. Исходные пластины для созда­ния монокристаялических элементов из кремния и арсенида галлия обходятся очень дорого. Поэтому были проведены широкие исследования и разработаны технологии, позволяющие получить фотопреобразователи в виде тонких пле­нок Базой для этих элементов служат материалы с прямым поглощением сол­нечного излучения, которое происходит на глубине от нескольких десятых долей до 2-3 микрометров. Одним из перспективных материалов является аморфный кремний (a-Si), не имеющий регулярной структуры. Его коэффи­циент поглощения на порядок превышает коэффициент поглощения монокри - сталлического кремния.

Тонкопленочный фотопреобразователь получают путем плазменного раз­ложения силана SiH4 и осаждения в глубоком вакууме a-Si на стеклянную подложку. Прозрачный проводящий слой формируется из оксида олова (рис, 1.30). Тыльный металлический контакт из алюминия отражает непогло­щенный свет обратно в базовый І-слой (с собственной проводимостью) и р+- слой с повышенной концентрацией положительных носителей. Фотопреобра­зователи на базе a-Si (Н) обеспечивают КПД до 12% и характеризуются ста­бильными свойствами.

Тыльный контакт

П£Ш|зачныЙпЕовоаник Стекло

Рис, 130. Структура фотопреоброзователя из аморфного кремния

Аморфный кремний легко образует сплавы с углеродом и германием. По. этому его применяют для создания эффективной многопереходной системы Щ аморфных материалов типа: фронтальный широкозонный слой карбида крем, ния a-SiC(H) — средний слой a-Si(H) — тыльный слой из сплава с германием a-Si Ge(H). КПД этой структуры 15-18%.

Ячейки малой толщины можно получать из поликристаллического крем­ния. Для этого обеспечивается более высокий уровень легирования и приме, няется текстурирование обеих поверхностей. Попавший внутрь ячейки CBCY частично поглощается, достигает тыльной поверхности и вновь отражается вглубь. Таким образом, свет многократно проходит через полупроводниковый слой в несколько микрометров до полного поглощения. Оптическая длина пу­ти луча может превысить толщину ячейки почти в 20 раз. По этой технологии выращивание кремниевых поликристаллических пленок осуществляется из насыщенных растворов Si в расплавленном олове. Пленки формируются в ви­де столбчатых кристаллов на дешевой стеклянной подложке. Затем термо - диффузией создастся р-n-переход и наносится отражающее покрытие.

Пленочные фото преобразователи из поликристаллического Si имеют КПД 12-16% в зависимости от размера ячейки.

К числу тонколленочных поликристаллических элементов с гетеропере­ходом относятся ячейки мед но-индиевого диселенида CulnSe2, который обла­дает наивысшим к настоящему времени коэффициентом поглощения, В соче­тании полупроводников CuInSey'CdS сульфид кадмия выращивается как мате­риал с п-проводимостью при толщине слоя 0,03 микрометра. Формирование фотопреобразователя осуществляется на металлическом молибденовом про­воднике. Вначале вакуумным испарением и осаждением создается слой ме­таллического индия и меди. Затем этот слой реагирует при Т= 400°С с селе­ном из газового потока селенида водорода H2Se, который пропускается у по­верхности. Получаемый высококачественный материал имеет КПД 12% и 9% (фирма Siemens Solar Industries) в промышленных модулях.

Более высокий КПД, равный 12,3%, наблюдается у пленочных фотопре - образователей фирмы Matsushita на базе теллурид кадмия — сульфид кадмия CdTe/CdS. Особенность процесса в том, что применяется печатная техноло­гия, элементный кадмий и теллур входят в состав печатной краски. Вместо обычного вакуумного испарения и последующего осаждения элементов фирма

Solar использует более дешевый процесс гальванизации. Ее солнечные ^ имеют КПД 13%, а сборки площадью 0,1 м2 — 10%.

Важным преимуществом тонкопленочных элементов является возмож - ть производства полного модуля вместе с соединениями (рис. 1.31). Нане - нць1Й на подложку слой оксида олова счищается лучом лазера в определен - ух местах. Следующим наносится слой аморфного кремния a-Si с p-i-n - переходом в виде сплошного покрытия. Здесь также счищаются узкие полос­ки слегка сдвинутые по отношению к счищенным полоскам из окиси олова. Далее наносится тыльный металлический контакт. Таким образом изготавли­ваются длинные узкие ленты из последовательно соединенных ячеек.

Особо перспективными считаются каскадные или составные фотопреоб­разующие устройства. В них реализуется идея применения полупроводников различного состава, которые проявляют максимальные поглощающие свой­ства в неодинаковых диапазонах длин волн солнечного излучения. Подобный фото преобразователь (рис. 1.32) представляет собой механическую сборку из Двух или более солнечных ячеек с различной шириной запрещенной зоны. Верхний слой является широкозонным полупроводником. Он поглощает фо - Т0НЫ С большой энергией н прозрачен для длинноволнового излучения, кото­рое оптимально поглощается нижним слоем.

Теоретический суммарный КПД для различных моделей каскадных фо - т°преобразователей достигает КПД, равного 93%, который соответствует эф - Фсктивности цикла Карно для солнечного излучения.

Рис. 1.32. Каскадное фопюіреобраіующее устройство

Разновидностью каскадных систем служит монолитная структура, слои которой последовательно выращиваются один на другом, имея единую под­ложку.

Сотрудники Физико-технического института Санкт-Петербурга разрабо­тали технологию получения каскадного гетеро фотопреобразо вате л я GaAlAs - GafnAs с КПД 30%. Он сохраняет высокий КПД при 1000-кратной концентра­ции солнечного излучения.

Комбинация верхней ячейки из GaAs и нижней из моно кристаллического Si при 100-кратной концентрации продемонстрировала КПД 34%.

Фотоэлектрические модули. Одиночный солнечный элемент из моно­кристалл ичес кого кремния обычно имеет прямоугольную форму с размерами 100x100 мм или форму круга диаметром 125 мм. При стандартных условиях ис­пытаний (солнечная радиация 1000 Вт/м2; масса атмосферы AM 1,5; темпе­ратура ячейки 25СС) элемент обеспечивает мощность в пределах 1-1,5 Вт. Его ЭДС составляет 0,5-0,6 В. Этих параметров недостаточно для большинства по­требителей, поэтому от дельные элементы соединяются в модули. Число эле­ментов в модуле определяется напряжением модуля, а его напряжение должно соответствовать номинальному напряжению аккумулирующей системы, т. е. 12 В аккумуляторной батареи. Поэтому стандартные модули объединяют 33-36 последовательно соединенных элементов и гарантируют надежную работу - Мощность стандартных кремниевых модулей колеблется от 5 до 120 Вт.

Модуль не только обеспечивает электрическое соединение отдельных элементов. Он должен предохранять их от механических повреждений, защи­щать от воздействия окружающей среды и поддерживать всю структуру. К мо-
предъявляются серьезные требования, т. к. срок его службы должен со - Д^Л1° не менее 20 лет. Структура защиты от внешних механических и ат-

ставлять

осферных воздействий состоит из закаленного стекла, 2 слоев этиленвинил - ^гата и последовательно расположенных с тыльной стороны слоев из тедла - или майлара и полиэстера (рис;. 1.33). Стекло переднего покрытия имеет толщину 2-3 мм. Из-за низкого содержания железа оно обладает высокой про­зрачностью. Специальный готический рельеф на внешней поверхности снижа­ет отражательную способность.

Модуль обрамляется металлической рамой для придания механической прочности. Она изготавливается из нержавеющей стали или анодированного алюминиевого профиля. Чтобы уменьшить напряжения, возникающие при те­пловом расширении из-за колебаний температуры, между модулем и рамой устанавливается жакет, который делается из силиконовой резины, неопрено­вой или поливинилхлоридной ленты (рис. 1.34).

Если основой модуля служит многослойная гетероструктура, то преду­сматривается изготовление корпусов концентрирующих модулей, предназна­ченных для совместного жесткого монтажа электрогенерирующих плат и линз френеля.

Во всем мире наблюдается динамичное увеличение спроса на фотоэлек­трические модули, что отражено на диаграмме ежегодного производства этих СИстем в МВт установленной мощности (рис. 1.35).

1980 1 990 2000 2010 годы

Ліс. 1.35. Мировое производство фотоэлектрических преобразователей

Темп прироста выпуска фотопреобразователей в последние годы состав­ляет приблизительно 14%. В 1996 г. в Европе произведено около 19 МВт ус­тановленной мощности, или почти 21% мирового выпуска.

Основные области применения фотопреобразователей — это калькуля­торы, чаем, небольшие потребители типа отдельных домов, деревень, теле­коммуникаций, водяных насосов. Возрастает доля систем небольшой мощности, соединенных с линиями электропередач, растет количество фотоэлектрических генераторов мощностью в сотни и тысячи киловатт. Они служат для электро­снабжения крупных выставочных комплексов, бассейнов, заводских цехов.

фотоэлектрические станции (фотоСЭС)- Для производства электро - в значительных масштабах создаются фотоСЭС. Они состоят из

количества модулей, соединенных последовательно и параллельно в VUJ'" -]-ип соединения определяется величиной выходного тока и напряже-

ПДНсЛ'1' ^

ния на фотоСЭС.

фотоСЭС имеют ряд преимуществ. Во-первых, они очень удобны, т. к. из модулей можно создать комплекс любой мощности. Во-вторых, фотоСЭС на­чинают вырабатывать электроэнергию при относительно низкой освещенно­сти В-третьих, станции этого типа обходятся без движущихся элементов. Фо­тоэлектрические генераторы работают бесшумно, не выделяют никаких за­грязнений, характеризуются минимальными потребностями в обслуживании. Модули устанавливаются как неподвижно под определенным углом, так и на осях с использованием систем слежения.

Принципиальная схема фотоСЭС состоит из следующих элементов (рис. 1.36). Фотоэлектрический генератор 1 объединяет поле солнечных моду­лей. Вырабатываемый ими ток проходит через конвертор 2, который поддер­живает оптимальный режим работы фотоэлектрического генератора в зависи-

мости от нагрузки. Часть вырабатываемой энергии идет на потребителей стоянного тока 3 и зарядку аккумуляторных батарей 5 через зарядное устрою ство 4. Затем в инверторе 6 постоянный ток преобразуется в переменный, щ ступает в повышающий трансформатор 7 и потребляется частично на co6cj. венные нужды (электродвигатели) 8, а частично поступает в систем) распределения энергии 9. Для регулировки работы инвертора и трансферmj тора имеется система перефазировки Ш, контроля фаз 11 и управления 12.

Фотоэлектрический генератор 1 имеет на выходе напряжение поряди 400-800 В из-за недостаточной изоляции между панелью и заземленной pi мой. Трансформатор 7 повышает его до требуемого уровня в электросети.

Особенности генерирования электроэнергии в фото преобразователях вц нуждают предпринимать специальные меры повышения надежности их pi боты. Последовательное соединение многих модулей может оказаться неблі гоприятным при выходе одного модуля из строя. В этом случае дефектный модуль окажется не генератором, а потребителем тока, который будет способ ствовать его чрезмерному разогреву и диссипации энергии. Чтобы не проис ходили нежелательные явления, фотоэлектрический генератор (рис. 1.37) содержит обходные 2 и блокирующие 3 диоды. Эти диоды защищают модулі 1 при выходе какого-то из них из строя и предотвращают фотогенератор от pi боты в режиме нагрузки в темное время суток.

Рис. 137. Фотоэлектрический генератор

Важным элементом в составе фотоСЭС является система аккумулирова - необходима в качестве постоянной резервной мощности, применя-

иИЯ ОН** ■*

" поддержания работы в режиме пиковой нагрузки. Особенно она важ - ется для пиА“ F

станции, которая работает в автономном режиме и снабжает элек - НЭ нергней удаленных от линии электропередачи потребителей. тР0Э^лектр0ЭНергия, вырабатываемая фотоСЭС, может аккумулироваться ыми методами. Наиболее распространено применение свинцовокис - отных и никель-кадмиевых (Ni-Cd) батарей. Разработаны специальные акку­муляторные батареи, снабженные клапаном для поддержания небольшого из­быточного давления. Срок их службы достигает 10 лет. Перспективны акку­муляторы на базе Na/pAljCVS и Zn/ZnBr2/Br2. Натриево-серные батареи используют расплавленные реактанты и снабжены хорошей тепловой изоля­цией. Плотность энергии у них в 2 раза выше, чем у свинцовокислотных. Цинк-бром истые аккумуляторы по плотности энергии на 1 кг массы в 4 раза превосходят обычные. Широко используются в США, Австрии, Японии. Срок их службы — 2000 циклов разряд — заряд.

Уделяется внимание разработке аккумулирующих систем со сверхпро­водниками. Средой для хранения энергии в подобных устройствах является электромагнитное поле. Оно создается при протекании большого постоянного тока по соленоиду из сверхпроводника. Эта система обеспечивает прямое ак­кумулирование электроэнергии без промежуточной конверсии ее в другие ви­ды (механическую, химическую). Запас хранимой энергии пропорционален индуктивности спирали и квадрату силы тока. Современные устройства со­держат сверхпроводящий материал, который окружен слоем обычного про­водника, выполненного в виде трубопровода для хладагента. Аккумулятор со сверхпроводником заряжается от генератора постоянного тока и разряжается в систему оборудования переменного тока через силовую управляющую сис­тему с несколькими инверторами.

Разработанные ранее сверхпроводящие материалы типа NbTi, NbjSn, тре­бующие температуры 4К при охлаждении жидким водородом, заменяются вы - с°котемпературными сверхпроводниками на базе ВЇ, которые обнаруживают веление сверхпроводимости при Т = 20-40 К и поэтому не требуют примене - НИя жидкого охладителя. Достигнутая плотность тока более чем на порядок превышает обычную для меди.

Мировая практика показывает, что установленная мощность фотоСЭ(> может колебаться в широких пределах. Для небольших потребителей — кот. телжей, сельскохозяйственных ферм, жилых зданий она составляет 1-10 кВт Причем станции монтируются прямо на крышах зданий, не требуя специаль. ных площадок. Фотопреобразователями облицовывают фасады зданий, что служит современными элементами архитектуры. Такая тенденция характерна для Германии, Нидерландов, Швейцарии, США, Японии и других стран, л Германии, например, площадь крыш, пригодных для установки солнечных модулей, составляет более 650 kmj. Даже при КПД 8% подобная система пред, ставляет собой рассредоточенную фотоСЭС мощностью 52 ГВт. Разные стра. ны эксплуатируют фотоСЭС значительной единичной мощности. Самая круп­ная Кариса-Плейнз в Калифорнии имеет мощность 7,2 МВт. Италия рас- полагает станцией в 3,3 МВт. Известная фирма в США «Соларекс» снабдила своими фотопреобразователями крышу крупного спортивного комплекса по плаванию н прыжкам в воду в Атланте, где проходила летняя Олимпиада в 1996 г. Зал рассчитан ка 10 тыс. зрителей. Фотомодули обеспечили всю энер­гетику здания. Крупный выставочный комплекс в Мюнхене (Германия) также оборудован мощной фотоэнергетическо й системой, расположенной на крыше. Каждый модуль состоит из 84 монокристаллических кремниевых ячеек. Его мощность 130 Вт, и вся система обеспечивает суммарную мощность 1 МВт. Она выдает в сеть комплекса 1 млн кВт*ч электроэнергии в год. В схеме стан­ции установлен один инвертор.

Гибридная фотоСЭС — ГЭС запущена в действие в испанском городе Толедо. Фотоэлектрический генератор установленной мощности Р=1 МВт со­стоит из двух наклонных панелей по 450 кВт и одной панели 100 кВт с одно­осной следящей системой. Станция подключена к линии электропедачи и компенсирует нехватку энергии в летний период, когда в бассейне ГЭС не достаточно воды.

Оригинальный демонстрационный проект осуществлен в Испании по программам JOULE/THLRMJE. Он представляет собой модульные системы из ііараболоцилиндрнческих концентраторов длиной 72 м и шириной 2,9 м с од­ноосной следящей системой. Фотоэлектрические элементы, соединенные ме­жду собой и изолированные от воздействия атмосферы, развивают мощность 480 кВт при напряжении 750 В. Ожидается, что новая конструкция обеспечит

^тоянную выработку электроэнергии, чем плоские модули с линзами (юлее ПОС1«

лрограмме «Campaign for Take — Off» в странах Европейского Союза овленная мощность фотоСЭС возрастет с 0,03 ГВт в 1995 г. до 3 ГВт в тОК)г и будет смонтирован 1 млн PV-систем, Значительные усилия предпри - Япония в стремлении снизить вредные выбросы от ТЭЦ. Там было на - л k 2000 г. ввести в действие 400 МВт солнечных модулей и довести их

мощность до 466 МВт к 2010 г.

Проект сверхмощной фотоСЭС в 100 млн кВт с площадью фотоэлементов ОКОЮ 1000 км2 существует в России. Его отличи^ от обычных схем в том, что фотогенерирующие модули, соединенные в длинные полосы шириной от 2 до 10 м, подняты на высоту 100-500 м над поверхностью земли (рис. 1 38).

Рис. 1.38. Высотная солнечная электростанция:

1 фотоэлементы; 2 - их грузонесущие бачки; 3 —вертикальные тросы связи
фотоэлементов с неподвижным грузонесуи^им тросом 5;

~~вертикальный трос связи фотоэлементов с подвижным в вертикальном направ - яенич ерузонесущим тросом 7; 6 —мачты; 8 —механизм связи троса 7 с мачтой 6

Высотное расположение станции уменьшит осаждение пыли на рабочие поверхностях, не будет препятствовать ведению сельскохозяйственной дед. тельности.

Местом размещения гигантской фотоСЭС выбрано пространство в За - волжье между Саратовом и Астраханью. Опорные мачты 1 располагаются по обоим берегам Волги. Общая ориентация полос с севера на юг. Модули фото­элементов размещаются на легких несущих балках 2, которые прикреплены по концам двумя вспомогательными тросами 3 и 4 к несущим тросам 5 и 7. Не­сущий трос 5 закреплен на мачтах неподвижно. Второй трос 7 крепится к мач­там таким образом, что его высота может изменяться. Перемещение троса 7 по высоте рассчитано так, что при изменении его положения по отношению к тросу 5 в течение дня плоскости фотоэлементов могут ориентироваться с на­клоном на восток, устанавливаться горизонтально, а затем поворачиваться щ запад. Стабильную работу фотоСЭС поддерживают 3 гидроаккумулирующие станции суммарной мощностью 14 млн кВт.

Назначение этой фотоСЭС — обеспечивать промышленные энергоемкие производства преимущественно в дневное время.

Постепенно солнечные модули внедряются на транспорте. Солнцемобилн представляют собой легкие конструкции на 3- или 4-колесных шасси с боль­шими «энергетическими поверхностями», т. е. фотоэлектрическими преобра­зователями. Мощность электродвигателей солнцемобилей невелика — от 0,4 до 3,5 кВт. Однако они позволяют развивать достаточно большие скорости. В некоторых странах — Швейцарии, Японии, Австралии регулярно проводятся соревнования этих машин. В Австралии солнцемобилн должны преодолеть более 3000 км только с помощью солнечной энергии. Средняя развиваемая скорость достигает 85-115 км/ч.

Германия проводит соревнования моторных лодок и катеров, оборудо­ванных солнечными модулями. На Женевском озере в Швейцарии задумана эксплуатация прогулочного судна на 20 посадочных мест с приводом от сол­нечных батарей.

В Англии эксплуатируются большегрузные автомобили — рефрижера­торы для перевозки мяса, на крыше и боковых стенках кузовов которых смон­тированы фотопреобразователи. Энергии этой системы вполне достаточно для привода компрессора холодильной установки.

Легкий самолет в США, снабженный фотоэлектрическим генератором,

страну со скоростью более 200 км/ч.