XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В настоящее время запасов органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на несколько десятков лет. Как вариант, можно перейти и на другие не возобновляемые источники энергии. Например, управляемый термоядерный синтез...

Но даже в том случае, если на Земле будут открыты практически неисчерпаемые сырьевые ресурсы, не удастся избежать экологического перепотребления. Лет через 100 на нашей планете будет вырабатываться столько энергии, что может случиться экологическая катастрофа – как предвещают учение, начнётся таяние полярных льдов, катастрофически повысится уровень Мирового океана. В таком случае прибрежным городам и целым приморским странам энергия уже не понадобится.

Поэтому необходимо использовать солнечную энергию, которая имеет следующую особенность: независимо от того, использует или не использует ее человек, - нагревает атмосферу Земли.

Самый распространенный и перспективный способ преобразования света - фотоэлектрический. Фотоны передают свою энергию электронам в полупроводниках. Возникает электрический ток.

Как это происходит? Коротко опишем процесс. Квантовые запрещенные энергетические зоны в некоторых полупроводниках по ширине как раз соответствуют величине энергии кванта света. Запрещенная зона - это потенциальный барьер, который необходимо преодолеть электрону при перескоке с одного на другой атом кристаллической решетки. Поглотив фотон, электрон обретает подвижность значит, может возникнуть электрический ток. Ведь по определению ток - это направленное движение электрических зарядов.

Если же теперь совместить два полупроводника (чаще всего используется кремний), легированных разными примесями (одна, в силу несовпадающих валентностей, привносит в исходное вещество некомпенсированные электроны - получается полупроводник n-типа, а другая, чья валентность меньше. приводит к появлению дырок, носителей положительных зарядов - полупроводник р-типа), на их границе образуется n-р-переход. Света нет - ток отсутствует. Как только полупроводниковый диод осветить, потекут избыточные электроны в р-зону.

Полупроводник — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Солнечная батарея— объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов)—полупроводниковыхустройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Наконец появилось опытное производство дисковых солнечных элементов для народнохозяйственных нужд. Себестоимость солнечной электроэнергии уменьшилась в 3-4 раза. Но все равно 7-10 руб. за 1 Вт установленной мощности (таковы сегодняшние затраты) - это очень дорого. Идет поиск способов удешевления солнечных элементов. Один из примеров тому - интересная разработка советского ученого А. Степанова. Он предложил высококачественный кремний не выращивать в виде слитков, которые приходится потом распиливать на круглые пластины, те же, в свою очередь, тщательно полировать, затрачивая много энергии и расходуя впустую материал, а вытягивать тонкими лентами из расплава. При таком способе не только снижается себестоимость фотоэлементов, но и увеличивается эффективность солнечных батарей. Ведь ленты можно смыкать вплотную, а между дисковыми элементами всегда остается неиспользованная площадь.

Рис 1. – Солнечная батарея

Рис 2. - Крымская солнечная электростанция

В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs).

Идет поиск и новых - дешевых материалов для фотоэлементов. Весьма перспективны, по мнению некоторых исследователей, полупроводниковые соединения меди, кадмия, серы. Преобразователи, полученные на их основе, недороги, да вот беда - КПД у них порядка 5%, и материалы нестабильны, разрушаются под воздействием окружающей среды. Сложная, дорогостоящая герметизация сводит на нет полученную экономию. Можно уменьшить себестоимость гелиоэлектроэнергии другим способом. Скажем, заставить Солнце... ярче освещать фотопреобразователи. Для этого используют устройства, именуемые концентраторами. Они собирают солнечные лучи с большой площади и направляют их на относительно небольшие по размеру собственно фотопреобразующие панели.

Параболический концентратор. Уже само название говорит о том, что его чаша представляет собой параболоид, если направить эту чашу на Солнце, то практически все лучи, отразившиеся от ее внутренней зеркальной поверхности, соберутся в небольшой области возле фокуса параболоида. Коэффициент концентрации (отношение площади, с которой собирались лучи, к той площади, на которой они сконцентрировались) у такого устройства велик. Это, конечно, хорошо. Но в то же время приводит к чрезмерному перегреву фотоэлемента. Приходится предусматривать систему охлаждения. Да и система автоматического слежения за Солнцем тоже нужна. Чуть-чуть отклонится Солнце от оси симметрии параболоида - сразу же происходит существенная потеря фотоэлектрической мощности. Принцип работы фоконов и фоклинов такой же, что и параболических концентраторов. Только огибающие их чаш не параболы, а гиперболы вращения. Эта замена имеет определенный смысл. Гиперболоид собирает лучи в фокальной области даже в том случае, если их наклон к оси симметрии чаши составляет 6 градусов! Не нужно непрерывно поворачивать концентратор вслед за Солнцем. Вполне достаточно изредка (можно и вручную) изменить угол его наклона.

Рис 3. - Параболический концентратор

К другому типу концентраторов - преломляющему - относится линза Френеля. Она состоит из целого набора призм, составленных вершинами вместе, так что поверхность линзы, обращенная к Солнцу, напоминает растянутую гармошку.

Солнечные лучи преломляются в призмах, причем всегда находится расположенная к Солнцу под таким углом, что преломившиеся в ней лучи собираются на фотоэлементе, установленном за вершиной линзы. Вот почему линзу Френеля не нужно поворачивать в вертикальной плоскости. она одинаково хорошо работает при высоко и низко стоящем Солнце.

Сегодня появляются так называемые плоские линзы Френеля. У них нет “гармошки”. С виду это обыкновенные призмы. Однако некоторые сегменты в такой призме обработаны жестким излучением, показатель преломления в них изменился. А направление преломленного луча, как известно, зависит не только от угла падения (в линзе Френеля его задает “гармошка”), но и от показателя преломления вещества.

Рис 4. – Поперечное сечение (1) линзы Френеля и (2) обычной линзы.

Рис 5. – Солнечная панель с установленными на ней линзами Френеля.

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули, рассмотренные выше, на принципе, больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

Литература

1)Технические средства сохранения солнечной энергии [Электронный реcурс]. – Режим доcтупa: http://www.gigavat.com/ses_battery1.php– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)

2) Солнечная батарея [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B1%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%B5%D1%8F– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)

3) Полупроводник [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA#:~:text=%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%CC%81%D0%BA%20%E2%80%94%20%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%2C%20%D0%BF%D0%BE%20%D1%83%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B9%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8,%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%B2%D0%B8%D0%B4%D0%BE%D0%B2%20%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F. зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)

4) Устройство солнечной батареи. Виды солнечных панелей [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://www.helios-house.ru/ustrojstvo-sb.html– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)

5) Линза Френеля [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B7%D0%B0_%D0%A4%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D1%8F– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)

6)Солнечная батарея DELTA [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://altenergylab.ru/alternativnoe-elektrosnabzhenie/solnechnye-batarei/solnechnaya-batareya-delta-sm-100-12p-12v-100vt-poly/ – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)

7) КРЫМСКАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://www.bagnet.org/news/tech/170713– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)

8) Типы солнечных электростанций [Электронный реcурс]. – Режим доcтупa: http://www.gigavat.com/ses_tipi.php – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)

9) Линзовые солнечные панели. Плоские и сферические [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://rodovid.me/solar_power/linzovye-solnechnye-paneli.html – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 10.12.2020)