9.1.2 Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую.

Преобразование солнечной энергии в электрическую может происходить так же непосредственным ее преобразованием с помощью специальных приборов. Работа таких приборов основана на использовании физического явления, получившего название фотоэффекта.

Взаимодействие солнечного излучения с окружающей средой характеризуется следующими физическими параметрами.

Поток излучения солнечного света – величина, равная количеству энергии, переносимой потоком фотонов, распространяющихся в виде электромагнитных волн за 1 секунду через произвольную поверхность. Единицей измерения является Вт = 1 Дж/с.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) – отношение потока излучения через поверхность, расположенную перпендикулярно направлению переноса энергии, к величине площади этой поверхности (Вт/м²).

Световой поток – мощность светового излучения, оцениваемая по его восприятию человеческим глазом, которая зависит от длины волны излучения. Единицей измерения является люмен (лм).

Освещенность – величина равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади освещаемой поверхности. Единицей измерения является люкс (лк) = 1 лм / м².

Фотоэффект – электрическое явление, происходящее в веществе или материале при освещении его светом. Различают три вида фотоэлектрического эффекта: внешний, внутренний и вентильный фотоэффекты.

Внешний фотоэффект (фотоэлектрическая эмиссия) - испускание электронов веществом под действием падающего на него света. Внутренний фотоэффект заключается в освобождении связанных с атомом электронов внутри вещества под действием света, что приводит к изменению электрической проводимости вещества. Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя) связан с перемещением зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами их проводимости (p-n).

Основным полупроводниковым материалом, используемым при изготовлении фотоэлектрических приборов, является кремний.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется с помощью следующих видов фотоприборов: солнечных элементов, солнечных модулей и солнечных батарей. Солнечный модуль представляют собой последовательно соединенные солнечные элементы. Такое соединение позволяет повысить величину вырабатываемого модулем напряжения. Для повышения мощности электрического тока солнечные модули или солнечные элементы, в свою очередь, соединяют параллельно в солнечные батареи.

Работа солнечных фотоприборов характеризуется коэффициентом преобразования. Он представляет собой отношение плотности потока излучения, падающего на фотоприбор, к максимальной электрической мощности вырабатываемой им. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования равный 10-15 %.

Первые солнечные батареи были использованы в космической технике и до настоящего времени являются основными источниками электроэнергии в космических аппаратах. Они также получили широкое использование и в земных условиях для питания различных электроприборов, используемых в быту на транспорте и т.п.

Возможность массового производства и использования солнечных батарей для выработки электроэнергии связана с трудностями, возникающими при создании технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности примерно в 5 раз, до 1 – 2 долл./Вт, а стоимость электроэнергии до 0,10 – 0,12 долл./кВт∙ч. Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая стоимость кремния солнечного качества – 40 – 100 долл./кг. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное, на порядок, снижение его стоимости, является задачей номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике.

В 1990 году фирмой "Симменс" была достигнута величина КПД элементов из солнечного кремния составляющая 14,2%. Технология "Симменс" предусматривала использование особо чистых кварцитов. Новая технология производства кремния солнечного качества позволила получить выход кремния 80-85% и стоимость кремния 5-15 долл./кг. В случае применения этой технологии в широких масштабах стоимость солнечных элементов составит 0,7-1,4 долл./Вт, а модулей - 1,0 - 2,0 долл./Вт. Стоимость вырабатываемой ими электроэнергии составит 0,10 - 0,12 долл./кВт∙ч.