Большие перспективы по прямому получению электричества из солнечной энергии открывает использование фото- и термоэлектрических преобразователей. Энергетические системы с такими преобразователями находят применение в отдаленных и сельских районах при производстве небольших количеств электроэнергии для бытовых нужд, электропитания радио- и телеаппаратуры, а также в целях обеспечения энергией средств связи. Данные системы размещаются и в пустынях для производства электроэнергии, приводящей в действие водяные насосы.
Фотоэлектрические батареи широко распространены в космической технике, для питания бортовых систем аппаратов, находящихся на околоземных орбитах или в открытом космическом пространстве. Основную часть фотоэлектрических генераторов составляют полупроводниковые элементы, в которых под влиянием солнечного излучения проявляется фотоэлектрический эффект. Он возникает в результате воздействия солнечного излучения на поверхностные слои полупроводника толщиной примерно 2—3 мкм, высвобождая при этом некоторое количество электронов. С появлением в теле полупроводника свободных электронов и при наличии разности электрических потенциалов в нем возникает электрический ток. Разность потенциалов образуется между облучаемой поверхностью полупроводника и его «теневой» стороной за счет внедрения в его поверхностные слои специальных добавок. Один вид добавок образует дополнительные электроны и отрицательный заряд поверхности, другой — дефицит электронов и, следовательно, положительный заряд. Положительный и отрицательный заряды создают разность потенциалов.
Большинство фотоэлектрических генераторов изготовляется из кремниевых элементов. Разрез такого элемента показан на рис. 11. Кремний — один из самых дешевых материалов на земле — может быть выделен из простого песка. Фотоэлектрические элементы получают из кварцевых кристаллов, к которым предъявляются высокие требования по чистоте. Они производятся путем плавления кремния и затем выращивания в виде круглых стержней диаметром от 5 до 8 см. Для получения непосредственно полупроводниковых элементов эти стержни разрезаются на тонкие пластины, толщиной около 300 мкм, которые и служат основной частью фотоэлектрических элементов. На сторону, обращенную к солнцу, наносится тонкий слой фосфора, дающий избыток электронов для отрицательного заряда. Положительный заряд достигается за счет присутствия брома, дающего недостаток в поверхностном слое «теневой стороны». На наружную сторону элемента накладывается металлическая сетка (она служит отрицательным электродом), на внутреннюю напыляется металл, который выполняет функцию положительного электрода. В наземных условиях с интенсивностью светового излучения 1 кВт/м2 КПД данных элементов может достичь примерно 19%. В настоящее время для обычных кремниевых элементов КПД 10—15%.
Другим весьма перспективным полупроводниковым материалом для изготовления фотоэлектрических элементов является сульфид кадмия. Несмотря на то, что
КПД сульфидно-кадмиевых элементов меньше, чем кварцевых, и приблизительно равен 8—10%, данные элементы проявляют большую стабильность при высоких температурах. Если эффективность кремниевых элементов падает с повышением их температуры, сульфидно-кадмиевые сохраняют постоянный КПД до 90° С. Это свойство особенно важно в условиях жаркого климата.
Еще один перспективный полупроводниковый материал — арсенид галия. Он обладает высокой эффективностью по превращению лучистой энергии в электрическую с КПД до 27%. Это самый высокий КПД для солнечных фотоэлектрических генераторов. Кроме того, арсенид галия проявляет стабильность при температурах выше 100° С. Однако ограниченные запасы и высокая цена этого материала затрудняют его широкое применение.
Фотоэлектрические генераторы, как уже упоминалось, состоят из отдельных полупроводниковых элементов, соединенных последовательно или параллельно. Их размеры зависят от параметров электрического тока, который они должны производить, и различаются по мощности от нескольких ватт до десятков киловатт, а по размерам — от нескольких квадратных миллиметров до десятков квадратных метров.
Перспективным направлением в создании фотоэлектрических генераторов является разработка технологии изготовления тонкопленочных полупроводниковых покрытий, которые в сочетании с синтетической основой могут найти широкое применение.
Рис. 11. Схематический разрез кремниевого фотоэлемента
Получение таких пленок может значительно сократить стоимость фотоэлектрических генераторов, а следовательно, и стоимость производимой ими электроэнергии.
Для повышения эффективности фотоэлектрических генераторов применяются солнечные зеркальные концентраторы, способствующие повышению плотности световой энергии, падающей на поверхность генератора. Однако при этом неизбежно повышение температуры поверхности генератора, и в этом случае применение сульфида кадмия и арсенида галия, не меняющих своих характеристик при высоких температурах, особенно перспективно.
Основные достоинства фотоэлектрических генераторов — их сравнительная простота в изготовлении и обслуживании, долговечность, отсутствие по сравнению с традиционными генераторами механических потерь при трансформировании энергии. Они являются практически «чистыми» энергетическими устройствами, т. е. по загрязняющими окружающую среду.
Основной недостаток солнечных фотоэлектрических преобразователей — их высокая стоимость.
Другая система, которая позволяет осуществлять прямое преобразование солнечной световой энергии в электрическую, — солнечные термоэлектрогенераторы. Принцип действия термоэлектрогенератора основан па эффекте Зеебека. Суть его в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила, если места контактов поддерживаются при разных температурах. В простейшем случае, когда электроцепь состоит из двух различных проводников, она называется термопарой.
Обычно в состав солнечных термоэлектрогенераторов входит сам генератор и фокусирующая солнечную энергию система (часто «следящая»). В генераторе есть термобатареи, набранные из термоэлементов, соединенных последовательно или параллельно, и теплообменники горячих и холодных спаев термоэлементов. Величина электрического тока зависит от температур горячего Т1 и холодного Т2 контактов, а также от материалов проводников. В небольшом интервале температур электродвижущую силу (ЭДС), от которой зависит величина генерируемого электрического тока, можно считать пропорциональной разности температур T1 и T2, т. е. ЭДС=К(T1—Т2), где К — коэффициент, характеризующий термоэлектрическую способность пары металлов. Он определяется материалом проводников и интервалом температур, в некоторых случаях с изменением температуры меняется знак. КПД термоэлектрогенераторов равняется примерно 15%, а достигаемая мощность — несколько сот киловатт.
Из вышеописанных свойств следует, что, чем выше температура поверхности горячих слоев, тем выше их производительность. Поэтому, как правило, солнечные термоэлектрогенераторы снабжаются отражателями, которые концентрируют солнечную энергию на поверхности спаев, увеличивая тем самым их температуру. В отдельных системах па поверхность спаев наносятся покрытия с хорошо поглощающими солнечное тепловое излучение свойствами.
Фото- и термоэлектрические солнечные генераторы находят, как уже отмечалось, приложение в различных областях народного хозяйства. В настоящее время широкое использование этих энергетических устройств сдерживается их высокой стоимостью по сравнению с обычными системами, а следовательно, и высокой стоимостью электричества, ими генерируемого. Однако для районов, в которых доставка топлива связана с высокими транспортными расходами, применение солнечных фото- и термоэлектрогенераторов экономически оправдано. При этом необходимо также принимать во внимание простоту эксплуатации данных систем, их высокую надежность и длительный срок службы.
Солнечные электрогенераторы этих типов нашли широкое распространение в космической технике. Фото- и термоэлектрогенераторами оборудованы практически все космические аппараты, запускаемые на околоземные орбиты и в открытое космическое пространство.
В настоящее время рассматриваются проекты по крупномасштабному производству электроэнергии в космосе с последующей ее передачей на Землю. Все эти проекты основаны на создании фотоэлектрических приемников площадью в несколько десятков квадратных километров на высоте до 35 тыс. км и расположенных над экватором. В отличие от наземных систем такие станции не создают проблем хранения энергии, так как солнечный свет будет падать на их поверхность непрерывно.
С околоземной орбиты станция будет передавать энергию на громадную, диаметром до 10 км, принимающую антенну на Земле. Энергия микроволн, принимаемая антенной, затем будет преобразовываться в электроэнергию.
Сами орбитальные электростанции в соответствии с этими проектами будут состоять из массы солнечных фотоэлементов и снабжаться микроволновыми антеннами для передачи производимой энергии па Землю. «Следящая» система обеспечивает их постоянную направленность на принимающую антенну, расположенную па Земле. Конечно, такие станции будут иметь и большой вес, зависящий от их мощности. Например, станция мощностью 5000 МВт (что достаточно для обеспечения электроэнергией такого города, как Нью-Йорк) будет весить около 20 тыс. т. Для строительства такого рода электрических станций необходимо иметь околоземные космические транспортные устройства, которые бы осуществили доставку материалов с Земли и монтаж станции в условиях космического пространства. Все это требует решения крупнейших научно-технических проблем современности, включая создание новых видов космических аппаратов и сверхмощных ракет-носителей.
Как уже подчеркивалось, солнечная энергия является «чистым» видом энергии, и в этом заключаются ее преимущества перед другими источниками энергии. Однако при эксплуатации различных систем и приспособлений, использующих солнечную энергию, возникает ряд проблем, связанных с охраной окружающей среды. Применение низкокипящих жидкостей в солнечных энергетических системах и неизбежные утечки этих жидкостей во время длительной эксплуатации систем могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.
Чтобы уменьшить коррозию водяных солнечных систем, предназначенных для обогрева и охлаждения помещений, и предотвратить их замерзание, добавляются соли на основе хромитов, боритов, нитратов, сульфатов и др., которые представляют серьезную опасность для человеческого организма. Поэтому во время работы солнечных тепловых и холодильных систем, использующих указанные вещества, необходимо периодически проверять, нет ли утечек рабочих жидкостей.
Применение двухконтурных схем теплообмена в солнечных системах позволяет в значительной степени уменьшить опасность появления токсичных веществ в окружающей среде. Поскольку данные рабочие жидкости, утратившие свои первоначальные свойства, должны заменяться, возникает проблема их очистки. Использование обычных очистительных систем зачастую не представляется возможным, так как появление вышеупомянутых элементов в больших количествах в воде может привести к бурному росту синезеленых водорослей. Последние при своем росте и разложении потребляют большое количество кислорода, что, в свою очередь, уменьшает содержание кислорода в водоемах и вызывает гибель живых организмов, и прежде всего рыбы.
Другая, не менее важная проблема — опасность перегрева и возгорания систем, использующих солнечные концентраторы. В теплообменных устройствах таких систем, как правило, применяются различного рода изолирующие материалы. При перегреве и возгорании они могут выделять такие токсичные газы, как пары аммония, соляной кислоты, фторной кислоты и др. Поэтому уровень температур в теплообменных системах должен строго контролироваться, высокие требования также должны предъявляться к химическим и тепловым свойствам изоляции.
В солнечных системах, применяемых для обработки сельскохозяйственных продуктов, возникают две основные проблемы. Одна — опасность заражения продуктов токсичными веществами, описанными выше, которые могут появиться в продуктах вследствие возможных утечек рабочих жидкостей систем. Другая — возможность быстрого развития бактерий и грибков при низких рабочих температурах (30—60° С) во время сушки сельскохозяйственных продуктов, таких, как зерно и табак. Когда работают большие солнечные энергетические системы, в частности солнечные ТЭС, из тепловых аккумуляторов возможны утечки рабочих жидкостей, содержащих натрий, гидроокись натрия, нитраты или нитриты калия. Эти компоненты вызывают загрязнение воды, увеличивают засоленность почвы. Кроме того, высококонцентрированные водяные растворы указанных солей взрывоопасны.
Особое внимание должно уделяться и уровню температур в приемных и теплообменных устройствах, чтобы избежать их перегрева и пожара, которые могут привести к выделению вредных газов, описанных выше.
Затемнение солнечными концентраторами больших территорий земли может привести к ее деградации.
Необходимо также отметить экологические последствия в районе расположения станции нагрева воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это — изменение теплового баланса, влажности, направления ветров и т. д. Следует учесть и то, что строительство солнечных электростанций требует больших территорий: например, станция мощностью 100 МВт займет площадь почти 5 км2.
Некоторые экологические проблемы возникают при эксплуатации фото- и термоэмиссионных солнечных электрических систем. Во время изготовления кремниевых, кадмиевых и арсенидо-гелиевых фотоэлектрических элементов в воздухе производственных помещений появляются кремниевая пыль, кадмиевые и арсенидовые соединения. Попав при вдыхании в человеческий организм, они способны вызвать серьезные заболевания. Технологические процессы, связанные с очисткой кремния и галлия, могут приводить к загрязнениям воды щелочами и кислотами.
В заключение необходимо отметить, что нежелательные последствия, вызванные использованием солнечных энергетических систем, носят местный характер и их можно избежать при точном соблюдении правил техники безопасности.
