Эффективность солнечных электростанций с концентраторами солнечного излучения

В перспективной энергетике заметный вес будут иметь солнечные электростанции. В автономных солнечных электростанциях основу могут составлять твердотельные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Теоретически имеются различные варианты физических процессов превращения солнечной энергии в электрическую, но фотоэффект, не имеющий лишних звеньев преобразования, заведомо самый экономный из них.

Для повышения коэффициента использования энергии солнечного излучения применяют концентраторы солнечного излучения. Однако в этом случае необхо- димо решать проблему выбора типа ФЭП, а также его нагрева, например, эффективность кремниевого ФЭП падает до нуля уже при 300 °С.

Основными материалами для создания фотоэлектрических преобразователей повышенной мощности являются кремний и арсенид галлия (Ga-As). Оптимальный диапазон степени концентрации для ФЭП на основе арсенида галлия приблизительно на порядок выше, чем для кремниевых ФЭП, что объясняется лучшей температурной стабильностью КПД. Это позволяет в концентраторных модулях на основе гетерофотоэлементов использовать достаточно простые и дешевые системы охлаждения при электрической мощности, снимаемой с одного фотоэлектрического преобразователя, более 10 Вт. Таким образом, использование Al-Ga-As-гетероструктур для создания солнечного элемента открывает дополнительные возможности повышения эффективности преобразования солнечного излучения. Наибольшее применение для создания солнечных элементов получили гетеропереходы в системе алюминий-галлий-мышьяк, оптимальные с точки зрения эффективности преобразования солнечной энергии, вследствие близости параметров решеток арсенида галлия и арсенида алюминия.

На рисунке 1 представлены графики зависимости КПД фотоэлектрического преобразователя на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур от коэффициента концентрации солнечного излучения (АМ 1,5). Предельные расчетные значения КПД для ФЭП основе Ga-As возрастают от 29% при коэффициенте концентрации Кc=l до 35% при Кc=1000 (рис. 1, кривая 1). Из кривой 2 (рис. 1) видно, что реально достижимое значение КПД увеличивается от 26% при Кс=1 до 30% при Кс=100–300, в основном благодаря увеличению напряжения холостого хода. Снижение КПД при дальнейшем увеличении Кс связано с возрастанием омических потерь.

Рис. 1. Зависимость КПД ФЭП на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур от коэффициента концентрации солнечного излучения (АМ 1,5)

Увеличение степени концентрирования солнечного излучения приводит к увеличению рабочей температуры солнечного элемента и снижению КПД в основном за счет уменьшения напряжения холостого хода Uхх. Бóльшая, чем в кремнии, ширина запрещенной зоны арсенида галия обеспечивает лучшую температурную стабильность параметров солнечного элемента на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур. Температурные коэффициенты Uхх и КПД уменьшаются с увеличением степени кон- центрирования солнечного излучения. Типичное экспериментальное значение температурного коэффициента при Кс=400 составляет Кт=2·10-3 °С -1.

Уменьшение ширины запрещенной зоны при увеличении температуры и, как следствие этого, небольшое увеличение фототока несколько компенсирует снижение Uхх. Величина температурного коэффициента фототока составляет 0,001 °С -1 и практически не зависит от степени концентрирования солнечного излучения.

Из представленных на рисунке 2 зависимостей КПД при AM 0 от температуры видно, что температурный коэффициент КПД уменьшается при различных коэффициентах концентрации. Внесение цинка диффузным методом позволяет улучшить температурную стабильность фотоэлектрического преобразователя на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур, работающих при концентрированном солнечном излучении.

1 - Кс=100        2 - Кс=10   ^^^^^3 - Неконцентрированное

Рис. 2. Зависимости КПД солнечных элементов на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур от температуры при различных степенях концентрирования солнечного излучения (AM 0)

Солнечные элементы на основе монокристаллического кремния, работающие при неконцентрированном солнечном облучении, получили наибольшее распространение в автономной солнечной энергетике. В последние годы выполнены также широкие исследования кремниевых фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения и достигнуты значительные значения КПД. Кроме монокристаллического кремния, для создания фотоэлектрических преобразователей начинает широко использоваться по-ликристаллический и гидрогенизированный аморфный кремний, главным достоинством которого является меньшая стоимость. Аморфные материалы образуют отдельный класс веществ, во многом аналогичных кристаллическим полупроводникам.

Исследование их свойств и расширение класса представляют собой актуальные физико-теоретическую и физико-техническую задачи. КПД фотоэлектрических преобразователей на аморфном кремнии реально (в батарее) можно довести до 15%. Однако эффективность таких ФЭП существенно снижается при использовании концентрированного солнечного излучения, что не дает оснований предполагать их широкое применение совместно с концентраторами солнечного излучения. По этим причинам здесь не рассматриваются фотоэлектрические преобразователи на основе аморфного и поликристаллического кремния, а также ФЭП на основе тонкопленочных полупроводниковых соединений.

По конструктивному исполнению мощные кремниевые фотоэлектрические преобразователи можно разделить на два основных типа: фотоэлементы с p-n-пере-ходом, расположенным параллельно облучаемой поверхности; многопереходные

ФЭП с несколькими p-n-переходами, расположенными перпендикулярно или параллельно облучаемой поверхности.

Первый тип – это «обычная» конструкция фотоэлектрических преобразователей, оптимизированная для преобразования концентрированного солнечного излучения.

Второй тип – многопереходные солнечные элементы, разработанные специально для преобразования сильноконцентрированного солнечного излучения, так как в этих фотоэлектрических преобразователях обеспечивается существенное

В кремниевых фотоэлектрических преобразователях, оптимизированных для работы с неконцентрированным солнечным излучением, при небольшом повышении интенсивности излучения (при Кс=2–3) КПД начинает уменьшаться, и это снижение составляет 20–30%.

В конструкциях солнечных элементов, специально разработанных для преобразования концентрированного солнечного излучения, основное внимание обращалось на снижение омических потерь при сохранении высоких значений фототока и рабочего напряжения.

снижение омических потерь.

Рис. 3. Зависимость КПД ФЭП на основе кремния от коэффициента концентрации солнечного излучения

На рисунке 3 показана зависимость КПД от степени концентрирования солнечного излучения для кремниевых фотоэлектрических преобразователей. В разработанных конструкциях кремниевых ФЭП достигаются значения КПД, превышающие 20% при Кс=100 (AM 1,5, Т < 30 °С).

Приведенные характеристики (рис. 3) получены для фотоэлектрических преобразователей, рабочая температура которых, при повышении уровня облучения, поддерживалась постоянной (24–27 °С). Однако в реальных условиях при естественном воздушно-конвекционном охлаждении батареи ФЭП и концентрированном солнеч- ном излучении равновесная температура может превышать 100 °С. Увеличение рабочей температуры сопровождается уменьшением ширины запрещенной зоны, что дает некоторое увеличение фототока за счет расширения спектра фотоответа в длинноволновую область. Однако это увеличение фототока не компенсирует уменьшения Uхх вследствие экспоненциального увеличения тока насыщения с ростом температуры, что приводит к существенному снижению КПД при увеличении температуры. В вертикальных кремниевых солнечных элементах, так же как и в планарных, наблюдается уменьшение темпе-

^^^^^* Кс = 1000   ^^^^^мНеконцентрированное

Рис. 4. Зависимости КПД солнечных элементов на основе Si от температуры при различных степенях концентрирования солнечного излучения

ратурного коэффициента КПД при увеличении К с . Ниже приведена температурная характеристика кремниевых фотоэлектрических преобразователей (рис. 4).

Таким образом, увеличение величины Кс приводит к возрастанию рабочей температуры и к существенному снижению КПД различных видов фотоэлектрических преобразователей, а также к термическому и инжекционному отжигу. Этот факт необ- ходимо принимать во внимание при выборе оптимальной степени концентрирования солнечного излучения для ФЭП в энергоустановках с концентраторами солнечного излучения для сохранения достигнутых значений КПД ФЭП. Необходима разработка конструкции, обеспечивающей эффективный отвод тепла, образующегося в энергоустановках с концентраторами солнечной энергии.