Усиливая свет

Поставщики кремниевых фотоэлектрических модулей хвастают высокой мощностью и эффективностью своей продукции, но не все пользователи убеждены, что пути солнечной энергетики вымощены широким слоем кремния. Для производства солнечной энергии можно сконцентрировать свет и направить его на ячейки небольшого размера. Это делается с помощью оптических элементов, таких как линзы и вогнутые зеркала. Они соберут свет с большой площади и сфокусируют его на малой.

Фотоэлектрические системы с оптическими концентраторами (CPV - Concentrated PhotoVoltaic) классифицируются по степени концентрации света, которая может быть низкой, средней и высокой. Для простоты этот параметр измеряют в «солнцах», говоря, например, о двух, пяти солнцах или о трёх сотнях солнц. При этом имеется в виду число, на которое нужно умножить стандартную интенсивность солнечного света.

По конфигурации фокальной зоны оптические концентраторы делятся на линейные и точечные, а по принципу действия - на линзы Френеля, плоские отражатели и параболические зеркала. Обычные линзы в CPV не применяются, поскольку при больших размерах они оказываются чрезмерно массивными и дорогостоящими. В солнечной энергетике прижилось изобретение французского физика Френеля - лёгкие плоские линзы с полосными зонами, поверхность которых наклонена под разными углами. Исторически линзы Френеля используются в морских маяках. Ими же оснащаются фары современных автомобилей.

Параболические зеркальные системы часто составляются из двух зеркал - большого первичного (коллектор) и находящегося в его фокальной плоскости малого вторичного (концентратор). Фотоэлемент размещается позади центральной прорези в большом зеркале, куда попадает дважды отражённый свет. Эта схема легко даёт высокую концентрацию в 400 солнц и даже больше (см. рис. 1). Для работы с таким потоком энергии необходимы специальные многопереходные фотоэлектрические элементы.

Системы с плоскими отражателями (см. рис. 2) рассчитаны на невысокую степень концентрации света - от 1,5 до 2,5. Отражатели в них обычно выполнены из металла с защитно-просветляющим покрытием. Угол их крепления, как правило фиксированный, зависит от широты местности, то есть от средней высоты солнца над горизонтом.

В полупроводниковых преобразователях могут использоваться кремний, теллурид кадмия, арсенид галлия и более сложные соединения - селенид меди, индия, галлия. Наивысшая эффективность преобразователей достигается с помощью многопереходных полупроводниковых структур, в которых разные p-n-переходы, составленные из разных полупроводниковых материалов, тонко настроены на разные части солнечного спектра.

Фотоэлектрические системы с концентраторами солнечного света рассчитаны на работу только под прямыми солнечными лучами. Рассеянный свет, прошедший через облака и туман, не годится. Применять CPV выгодно в первую очередь в регионах с высокой инсоляцией, таких как пустыни. Как показывает практика, не менее 87% дней в году должны быть солнечными. Для усиления солнечного света до требуемого уровня оптические системы нужно поворачивать за светилом. При этом чем больше степень концентрации, тем выше требования к точности трекера.

Полупроводниковая пластина в CPV сильно нагревается, а потому её нужно охлаждать. Во избежание локальных перегревов фотоэлемента (где снижается эффективность) и растрескивания от возникающих механических напряжений лучи должны концентрироваться равномерно.

Для систем с низкой и средней степенью концентрации активное охлаждение обычно не обязательно, достаточно ребристого металлического радиатора. Между ним и фотоэлектрической ячейкой прокладывается керамический теплопроводящий материал, который служит электрическим изолятором. В системах с высокой степенью концентрации солнечного света для модулей приходится устраивать жидкостное охлаждение. Чаще всего при этом используется жидкий металл.

Фотоэлектрические системы с линейными оптическими концентраторами (где фотоэлементы расположены в длинную линию), как правило, оснащаются одноосными трекерами, а параболические отражатели - двуосными. Последние имеют два приводных двигателя, поворачивающих конструкцию по направлениям «запад - восток» и «юг - север». При этом высокоэффективный фотоэлектрический элемент постоянно находится в фокусе оптической системы.

С конструктивной точки зрения технология интересна тем, что она помогает экономить полупроводниковый материал, используемый в преобразовании солнечного света. Экономически только в CPV может быть оправданно применение высокоэффективных многопереходных преобразователей, у которых КПД доходит до 45%.

Оптическая часть CPV строится на основе распространённых материалов и использует повсеместно доступные технологии, а потому строители электростанций не завязаны на массовое производство сверхчистого кристаллического кремния.

К недостаткам фотоэлектрических систем с концентраторами солнечного света относится вероятность неравномерного освещения фотоэлемента, из-за чего на нём возникают горячие зоны. Стоит также отметить конструктивную сложность систем, обусловленную необходимостью применять трекеры.

Часть недостатков CPV-систем устранена в перспективном люминесцентном концентраторе (см. рис. 3). Он снабжён плёнкой из люминесцентного материала, перенаправляющей свет на двусторонний фотоэлектрический элемент. Плёнка может быть многослойной голографической или однослойной органической. Степень концентрации здесь - около тройки. Эта многообещающая технология не требует оптических элементов, способна работать с рассеянным светом и без трекера!

На наш взгляд фотоэлектрические системы с оптическими концентраторами солнечного света незаслуженно обойдены вниманием. В нашей большой стране немало мест, где их применение должно быть эффективным. Есть и компании - производители оборудования, такие как рязанская «СОЛЭКС-Р».