Лекция 15 Солнечная энергетика

Страны лидеры по солнечной энергетике: Германия - 35 ГВт, Китай - 19,9 ГВт, Италия - 18,5 ГВт, Япония - 13,5 ГВт, США - 12,2 ГВт, Испания - 5,3 ГВт, Франция - 4,6 ГВт.

Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемые источники энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования.

Солнечный водонагреватель – разновидность солнечного коллектора. Предназначен для производства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

Схема концентрирующего солнечного водонагревателя КСВ-3:

1 – корпус; 2 – теплоприемник; 3 – фоклин; 4 – теплоизоляция; 5 – днище; 6 – оконное стекло.

Концентрирующие солнечные водонагреватели устанавливают на кровлях зданий или на специальных опорах на открытых площадках, облучаемых солнцем и ориентированных на юг. Основными элементами их являются: трубчатый теплоприемник и набор зеркальных концентрирующих элементов в виде двугранных фоклинов. Теплоприемник и фоклины помещены в алюминиевый теплоизолированный корпус, закрытый сверху оконным стеклом. В качестве теплоизоляции применяется пенополистирол. Для лучшего восприятия солнечной радиации поверхность труб имеет черное гальваническое покрытие.

Принцип действия водонагревателя заключается в концентрации солнечной энергии на поверхности труб и передаче его теплоносителю, который под давлением 1-6 атмосфер поступает через подающий штуцер в теплоприемник, где воспринимает тепло от горячих стенок и подается через сливной штуцер потребителю.

Гелиополигон круглогодичного действия мощностью 9 тыс. м³/год с механизированной технологической линией размещен на действующем заводе железобетонных изделий.

В технологическую линию изготовления сборных железобетонных изделий с использованием солнечной энергии для термовлажностной обработки входят гелиокамеры, накрытые несъемными гелиопокрытиями типа СВИТАП.

Форма-вагонетка (типовая форма, оснащенная колесами) по сигналу с пульта управления системой цепной передачи выкатывается на линию формовки, козловой кран укладывает арматуру, бетоноукладчик с вибротележкой укладывает бетон, вибрирует и переходит на следующий заданный пост. Форма-вагонетка закатывается в гелиокамеру. Оборот форм суточный. В осенне-зимне-весенний период в качестве дополнительного источника тепловой энергии для термовлажностной обработки применены инфракрасные излучатели с напряжением 36 В.

Система термовлажностной обработки автоматизирована. Применение этой системы позволяет экономить около 80 % тепловой энергии на термовлажностную обработку сборных железобетонных изделий.

Состав технологической линии: 1 – бетонная эстакада; 2 – бетоноукладчик с виброустановкой; 3 – козловый кран; 4 – гелиокамеры; 5 – щитовые и пультовые; 6 – склад арматуры и готовой продукции.

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС) основываются пока на двух способах преобразования солнечной энергии в электрическую: термодинамическом и фотоэлектрическом.

Все современные СТЭС независимо от их типа имеют следующие основные элементы: концентратор, теплоприемник, систему транспорта и аккумулирования теплоты, систему преобразо­вания теплоты в работу.

В настоящее время нашли применение две разновидности СТЭС: башенного типа и с параболоцилиндрическими концентраторами.

В первом случае теплоприемник-парогенератор кругового облучения или полостного типа расположен на вершине башни. Вокруг башни или с ее северной стороны (теплоприемник полостного типа) расположены плоские зеркала на подвижных опорах (гелиостаты), которые следят за солнцем и отражают солнечные лучи на поверхность теплоприемника. Водяной пар, полученный в теплоприемнике, направляется в паровую турбину. Дальнейшее преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется по обычной схеме с циклом Ренкина.

Схема СТЭС башенного типа: 1 – центральный приемник; 2 – турбина; 3 – тепловой аккумулятор; 4 – парогенератор системы аккумулирования; 5 – расширительный бак; 6 – охладитель пара, идущего на зарядку системы аккумулировая; 7 – промежуточный нагреватель; 8 – регенеративные подогреватели; 9 – деаэратор.

В настоящее время разрабатывается новая концепция СТЭС башенного типа, в котором рабочим телом служит сжатый воздух. В теплоприемнике сжатый воздух нагревается до температуры 1000 °С и направляется в газовую турбину.

Вдоль линейного фокуса каждого параболоцилиндрического концентратора расположен теплоприемник в виде стальной тру­бы, окруженной стеклянной оболочкой. Пространство между трубой и стеклянной оболочкой вакуумировано, а на поверхность трубы нанесено селективное покрытие с высоким коэффициентом поглощения в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в инфракрасной области. Такая конструкция теплоприемника позволяет свести к минимуму потери теплоты в окружающее пространство за счет излучения, конвекции и теплопроводности. Теплоноситель (термостойкое кремнийорганическое масло), проходя через теплоприемник, нагревается до температуры 390 °С и передает теплоту воде и водяному пару.

Солнечные фотоэлектрические электростанции (СФЭС) предусматривают прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) на основе монокристаллического кремния показана на рисунке.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий "дырочной проводимостью" (p-тип). Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора (n-тип). (О p-, n- и p-n типах см. статью о диодах). На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой - положительному.

Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше. В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д. Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35%! По технологическим причинам, отдельный солнечный элемент возможно изготовить только небольшого размера, поэтому, для большей эффективности соединяют несколько элементов в батареи.