Главная ->  Экология 

 

Установки на солнечной энергии. Переработка и вывоз строительного мусора

Гетероструктурные солнечные батареи (СБ) имеют более высокий КПД, чем кремниевые и германиевые, монокристаллические и в особенности - из аморфного кремния. КПД гетероструктурных (например, арсенид-галиевых) солнечных батарей доходит до 35-40%. Их максимальная рабочая температура +150 оС, в отличие от + 70 оС - у кремниевых батарей, что увеличивает возможности концентрирования света на гетерофотопреобразователе (ГФП) из GaAs.

 

Как наиболее возможные материалы для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в данное время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причем в последнем случае речь идет о гетерофотопрелбразователе (ГФП) со структурой АlGaAs-GaAs. Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs) имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещенной зоны в них практически совпадает с оптимальной шириной запрещенной зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии и равняется 1,4 еВ., в кремниевых этот показатель равняется 1,1 еВ Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, обусловленного прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей в сравнении с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть меньше 50-100 мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство разрешает рассчитывать на создание легких пленочных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, в особенности если в качестве подкладки удастся использовать не GaAs, а другой материал, например, синтетический сапфир (Al2O3).

 

ГФП имеют также более благоприятные с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационные характеристики в сравнении с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения маленьких начальных значений обратных токов насыщение в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещенной зоны разрешает свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и, кроме того, существенным образом расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до +150...180 °С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше +60...70°С является почти критическим - КПД падает вдвое.

 

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180°С, что уже являются целиком рабочими температурами для тепловых двигателей, паровых турбин. Таким образом, к 30% собственного КПД арсенид-галиевых ГФП (при +150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, который использует сбросовое тепло жидкости, которая охлаждает фотоэлементы. Поэтому общий КПД установки, которая вдобавок использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла от охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений, - может быть даже выше 50-60 %.

 

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей мере, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высокой энергии вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также маленьких необходимых значений времени жизнь и диффузной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки ( отджига) при температуре именно порядка +150...180°С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка +150°С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций (в особенности это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важны малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

 

В целом можно сказть, что энергетические, массовые и эксплуатационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени отвечают требованиям СЭС и СКЭС (космические), чем характеристики кремниевых ФЭП.

 

Однако кремний является более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространен в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченные. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно усовершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один-два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, которые разрешают, в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т.п.

 

Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30 раз с 70-100 $/Вт в семидесятых годах вплоть до 3,5 $/Вт в 2000г. и продолжают снижаться дальше. На Западе можно ожидать переворот в энергетике в момент перехода цены через 3-долларовый рубеж. По некоторым расчетам, это может состояться уже в 2002г. Тут сыграют роль вместе взятые: тарифы, климат, географические широты, способности государства к реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния - до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.

 

В отличие от кремния галлий является очень дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения. Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Наибольшие запасы галлия имеются в морской воде, однако его концентрация там очень небольшая, концентрация при его извлечении оценивается величиной всего в 1% и, итак, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (отношение роста одного монокристала на поверхности другого (на подкладке)) не развита еще до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП, и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядок) стоимости ФЭП из кремния.

 

В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи, где очень важны разумные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солнечных батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании концентрированным в 3-5 раз солнечным излучением, что соответственно снижает потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подкладки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al2O3). Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразование энергии на основе ГФП из GaAs может оказаться целиком сопоставимой со стоимостью системы на основе кремния. Таким образом, тяжело до конца отдать явное преимущество одному з двух рассмотренных полупроводниковых материалов (кремния или арсенида галлия), и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой вариант окажется более рациональным для наземной и космической солнечной энергетики. Поскольку СБ выдают постоянный ток, то возникает задача трансформации его в переменный ток 50 Гц. С этой задачей отлично справляется специальный класс приборов - инверторы. Они относительно недорогие и широко распространенные.

 

 

Использование солнечной энергии сегодня сводится в основном к производству низкопотенциального солнечного тепла с помощью простейших плоских солнечных коллекторов. Например, в США в 1990 г. с 3,6 млн. Гдж энергии, выработанной за счет солнечной радиации, 3,5 млн. Гдж представляет собой низкопотенциальное тепло, использованное для горячего водоснабжения, подогрева воды в плавательных бассейнах и, в меньшей степени, для отопления.

 

В Израиле соответственно закону, который требует, чтобы каждый дом был оснащен водонагревательной установкой, установлено около 800 000 солнечных коллекторов, которые вырабатывают примерно 15 млн. ГДж энергии и обеспечивают 70 % населения горячей водой.

 

В современных плоских солнечных коллекторах абсорбер наиболее часто имеет пласт селективного покрытия с коэффициентом поглощения солнечной радиации 0,94-0,96 и коэффициентом излучения при температуре абсорбера 0,09-0,12. В строящихся домах делаются попытки соединить коллекторы с элементами крыши дома, что облегчает и удешевляет установку. Комплектная водонагревательная установка включает кроме коллекторов теплоизолированный бак-аккумулятор (в который встраивается резервный электрический нагреватель), необходимая арматура и автоматика. Коллектор обычно устанавливается неподвижно под углом к горизонту приблизительно равным широте местности. На индивидуальный дом с площадью около 100 м2 обычно устанавливается 1-2 коллектора, с площадью абсорбера 1-1,5 м2 каждый и бак-аккумулятор емкостью около 150 л. Такая установка на западном рынке сегодня стоит примерно 500 $/м2 площади коллектора. Теплопроизводительность такой установки существенным образом зависит от инсоляции, температуры окружающего воздуха и других климатических параметров. В зависимости от широты местности и климатических условий годовой доход солнечной энергии на 1 м2 поверхности изменяется очень сильно. Для широт около 30° он может составлять 8-10 ГДж/(м2 год), тогда как для широт 50-60° падает до 2-4 ГДж/(м2 год).

 

Коэффициент полезного действия солнечного коллектора определяется его оптическими характеристиками, качеством тепловой изоляции, инсоляцией и температурами теплоносителя и окружающего воздуха. В большинства существующих установок средний годовой эксплуатационный КПД коллектора обнаруживается на уровне 40-50 %. Это означает, что для широт около 30° с 1 м2 коллектора можно получить в год 3-5 ГДж тепла с температурой 60-70 °С. Стоимость этого тепла при таких показателях и сроке жизни установки 30 лет определяется на уровне 3-4 $/ГДж, что делает эти установки привлекательными для потребителей. Для более высоких широт солнечные водонагреватели лучшее использовать в качестве сезонных.

 

Рядом с коллекторами, для использования солнечного тепла для отопления домов применяются пассивные методы, основанные на оптимизации архитектурно-планировочных решений. Кроме того, представляют интерес разработки так называемой прозрачной изоляции для стен домов, селективных пленок для окон и т.п.

 

Электроэнергию за счет использования солнечной энергии можно получить или в теплосиловых установках, в которых тепло сгорания топлива заменяется потоком концентрированного солнечного излучения, или в установках прямого преобразования энергии, основанных на применении полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЭП).

 

Интересный проект разработан в Австралии. Как известно, Олимпийские Игры 2000 г. проводились в Австралии в Сиднее. Местный Олимпийский комитет решил сделать эти Игры зелеными , для чего, в частности в Олимпийском комплексе предполагалось соорудить солнечную ТЭЦ с термодинамическим циклом преобразования. В основу проекта положены линейные концентраторы, которые изготовляются из плоских или слабо искривленных зеркал, концентрирующих солнечное излучение (степень концентрации 10-15) на ресивере из вакуумных труб, внутри которых расположена тонкостенная трубка-абсорбер, оснащенная теплоприёмным ребром и покрытая очень совершенным селективным покрытием. От абсорбера тепло передается тепловыми трубками к парогенератору, где вырабатывается водный пар. Перегрев пары до температуры 330 °С осуществляется путем сжигания некоторого количества природного газа. Тепло после турбины использовалось для обогрева Олимпийского бассейна и других объектов.

 

Еще одна разновидность представляет собой СЭС с параболоидным концентратором (ПК), что следит за солнцем по двух осям. Параболоидный концентратор является теоретически наилучшим концентрирующим устройством, которое разрешает обеспечить концентрацию в несколько тысяч солнц, а значит и очень высокие температуры нагревания. Однако ПК, в отличие от башенных СЭС и СЕС с параболо-цилиндричним концентратором (ПЦК), через свои конструктивные особенности не могут иметь большие единичные мощности в одном модуле. Поэтому область, применения СЭС из ПК - сравнительно маленькие, большей частью автономные установки, мощности которых не превышают нескольких десятков кВт. В этом случае такие установки должны конкурировать не с большими ТЭС, а с дизельными установками малой и средней мощности, которые вырабатывают электроэнергию, более высокую по стоимости в 2-3 раза.

 

В модульном исполнении в фокусе ПК наиболее часто размещается непосредственно двигатель, который превращает тепло в механическую, а потом и электрическую энергию. До недавнего времени для этой цели применялся только двигатель Стирлинга, но сегодня рассматривается и газовая турбина.

 

В последнее время в мире повысился интерес к установкам, которые непосредственно превращают солнечную радиацию в электроэнергию с помощью ФЭП. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими установками (ФЭУ), сегодня в несколько раз выше, чем СЭС с тепловым циклом. Тем не менее, ФЭУ активно внедряются как в развитых, так и в странах, которые развиваются. При этом можно проследить две противоположных тенденции.

 

Вывоз металлолома из центра. Вывоз металлолома, П д.

 

Новая страница 1. Vnisi-schreder. Ебрр подерживает усилия уральскогогорода усовершенствовать системуцентрального отопления. Бюллетень. Угольные фантазии кинаха.

 

Главная ->  Экология