Гелиоэнергетика: состояние и перспективы - Физика - Скачать бесплатно
|Pd-8 |Pd-6 |FeS2-430 |
|Pt |Na-7 |Pb-0.1 |MoS-200 |
|U |Pt-5 |Sn+0.1 |CuO-139 |
|Au |Hg-5 |Rh+2.5 |CdO-41 |
|Cu |C-3.5 |Zn+2.9 |CuS-7 |
|Rh |Al-1.5 |Mo+5.9 |FeS+26 |
|Ag |Rh+1 |Fe+16 |CdO+30 |
|Zn |Zn+1.5 |Sb+35 |NiO+240 |
|C |Ag+1.5 |Te+400 |Mn2О3+385 |
|Cd |Au+1.5 |Se+1000 |Cu2O3+474 |
|Сталь |Cu+2.0 | |CuO+1120 |
|Fe |W+2.5 | | |
|As |Fe+12.5 | | |
|Sb |Sb+42 | | |
|SbZn |Si+44 | | |
| |Te+49 | | |
|Примечание: Величина термо-ЭДС дана в мкВ/град. |
Получаемая в нагрузке мощность от такого генератора определяется из
соотношения
P=S(T1-T2)I - I2R,
где S коэффициент Зеебека зависящий от материала проводника.
Если считать неизменными другие величины, значение КПД определяется
только величиной тока. Установлено, что с уменьшением тока КПД сначала
растет, а затем падает. Максимальное значение КПД зависит от параметра Z
характеризующего некоторую совокупность свойств проводника, называемого
добротностью. Для металлов Z очень мала, поэтому для изготовления ТЭГ
применяют легированные полупроводники, для которых добротность при
определенных температурах не превышает 0.0005 на 1 К. Тогда при температуре
нагревателя 1000 К и охладителя 300 К, общий КПД преобразования составляет
лишь около 7% и то при концентрации солнечного излучения с помощью зеркал.
Несмотря на то, что КПД современных термоэлектрических генераторов очень
мал, интерес к ним продолжает расти. Если учесть, что еще несколько
десятилетий назад КПД термоэлектрических генераторов был в 10 раз ниже
достигнутого в настоящее время, а поиск новых более совершенных материалов
продолжается, то можно надеяться на дальнейшее усовершенствование этого
типа генераторов. Например, если удастся достигнуть величины добротности
0,005 на 1К в диапазоне температур от 300 до 1000 К, то КПД генератора
увеличится с 7 до 31%.
Следует заметить, что температурные изменения добротности могут
благоприятно отразиться и на эффективности системы, состоящей из плоского
коллектора и термоэлектрического генератора (рис. 10). Максимальная
температура в данном случае значительно ниже, но для достаточно узкого
интервала температур можно подобрать такую пару термоэлектрических
материалов, которые обеспечат сравнительно высокую добротность. При
температуре Т= 400 К и Z =0,002 на 1 К суммарный КПД составляет около 3,5%.
Если учесть, что получение такой рабочей температуры не связано с
применением сложных концентраторов, снабженных устройством, следящим за
движением солнца, то система подобной конструкции оказывается вполне
приемлемой. Относительно низкая величина КПД системы обусловлена входящим в
ее состав генератором.
[pic]
Рис. 10. Термоэлектрический генератор с плоским коллектором.
Из всего сказанного видно, что эффективность систем, в которых солнечная
энергия используется для нагревания соответствующих устройств,
принципиально ограничена, в результате чего полезно реализуется лишь
незначительная доля падающей солнечной энергии. Даже по самым
оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.
Таким образом, дальнейшее исследование устройств для преобразования
энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным.
В одном из таких устройств, которому еще 10 лет назад отводилось важное
место при решении вопросов крупномасштабного получения энергии, использован
магнитогидродинамический эффект, или МГД-эффект, но последние исследования,
а в большей степени практические реализации такого устройства показали, что
его использование из-за низкого КПД неэффективно. В следующей главе будут
описаны другие методы получения энергии. Их существенное отличие
заключается в том, что они позволят использовать энергию солнечной радиации
без сколько-нибудь заметного повышения температуры элементов систем, то
есть тепловая стадия в процессе преобразования энергии исключается.
Глава 2. Фотоэлектрические генераторы.
В преобразователях световой энергии в электрическую используется
фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем и обстоятельно исследованный, начиная
с 1888 г. Столетовым.
Фотоэффект выражается в «выбивании» электронов фотонами света с
поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки
внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под
действием света, падающего на границу металл — полупроводник (или n-
полупроводник и p-полупроводник) ЭДС, вызывающей появление или изменение
тока в цепи (фотоэффект запирающего слоя или вентильный фотоэффект).
Устройства, основанные на внешнем и внутреннем фотоэффекте
рассматриваться не будут т.к. они аналогичны термоэлектронным генераторам,
рассмотренным выше - различаются лишь способом получения электронного
пучка. Можно только отметить, что КПД таких генераторов очень низок - всего
0.5-1%. Столь низкий КПД является причиной того, что при исследовании
вопросов получения энергии фотоэмиссионным генераторам отводится
незначительная роль, хотя возможно используя какие-то оригинальные
конструкции, их КПД можно значительно повысить. Однако все эти возможности
остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических
генераторов использующих вентильный фотоэффект.
Вентильный фотоэлектрический генератор.
Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся
разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС)
при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и
металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).
Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства
полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов
— приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.
Рис. 11. Принцип действия солнечного электрогенератора.
Фотоэлементы с запирающим слоем строятся с 1888г., т.е. со времени
открытия этого эффекта Ульяниным (учеником Столетова), однако их КПД при
использовании металлов не превышает 1 %. Применение полупроводников с
различными типами проводимости дало значительно лучшие результаты.
Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем.
Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны
из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-
полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в
обратном направлении.
В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается
нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-
полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный
объемный заряд неподвижных ионов (рис. 11). Эти объемные заряды образуют у
границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого,
направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу
электронов в направлении п>р и дырок в направлении р>п.
Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в
нем происходит внутренний фотоэффект - образуются пары зарядов электрон-
дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея
возможности пройти сквозь запирающий слой, устремляются в нее. Дырки же
легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит
рекомбинация - в цепи начинает протекать ток.
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, обладая, подобно элементам с
внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности
излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность
(см. табл. 6) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных
фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-
серебряные и др.
Таблица 6
Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов
|Фотоэлементы |Максимальная чувствительность, |
| |мкА/лм |
|С внешним фотоэффектом |150 |
|Меднозакисный |100 |
|Селеновый |600 |
|Сернистосеребряный |8000 |
|Сернистоталлиевый |11000 |
|Германиевый |30000 |
|Кремниевый |35000 |
Конструктивно любой вентильный фотоэлемент довольно прост.
Изготавливается так называемый нижний электрод, представляющий собой
металлическую пластинку, толщиной от одного до двух миллиметров. Форма
пластинки не имеет никакого принципиального значения и определяется лишь
назначением фотоэлемента. Нижний металлический электрод должен быть
механически прочным. На него наносится тонкий слой того или иного
полупроводника. Затем он подвергается соответствующей обработке, цель
которой заключается в создании в толще полупроводника р-n-перехода. Когда
эта цель достигнута, на наружную поверхность в большинстве случаев
наносится верхний металлический электрод, представляющий собой тонкий
полупрозрачный слой металла.
Иногда обработка полупроводникового слоя для создания в нем р-n-перехода
проводится при нанесенном уже верхнем металлическом электроде. Бывает и
так, что полупроводник обрабатывается в отсутствии обоих электродов.
Последние создаются уже после образования в полупроводниковом слое р-n-
перехода. При изготовлении некоторых фотоэлементов р-n-переход образуется в
процессе нанесения электрода.
Вся эта система помещается в оправку с окошком для светового потока. В
оправку вмонтированы две токовые клеммы. Одна из них соединяется с нижним
электродом, другая — с верхним.
Для предохранения наружной поверхности фотоэлемента, от вредного влияния
атмосферного воздуха иногда она покрывается прозрачным лаком.
Если фотоэлемент изготавливается из хорошо проводящего полупроводникового
вещества, например кремния или германия, то верхний электрод может быть
выполнен в виде кольца, если фоточувствительная поверхность имеет форму
диска, или прямоугольной рамки.
Когда на верхний электрод фотоэлемента падает лучистый поток, то
некоторая его часть отражается от металлического слоя, другая часть
поглощается в толще этого слоя и, наконец, остальная часть проходит сквозь
последний и поглощается в прилегающей области полупроводника. Это приводит
к освобождению пар электрон-дырка, о чем было рассказано выше. В результате
перемещения дырок к одному электроду, а электронов к другому, они
приобретут заряд противоположных знаков и между ними возникнет разность
потенциалов. Ее величина до определенного предела будет тем большей, чем
больше интенсивность лучистого потока.
Что касается КПД современных фотоэлектрических преобразователей, то
экспериментально показано, что в них преобразуется только около 50%
падающей на элемент солнечной энергии, также показано, что при правильном
выборе материалов и достаточной освещенности можно добиться того, чтобы в
процессе генерирования энергии принимало участие не менее 80% возникающих
под действием фотонов пар электрон-дырка. Фотоэлемент с такими параметрами
будет обладать КПД порядка 20%.
Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического
генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным рис.
12.
Рис. 12. Зависимость выходной мощности фотоэлектрического генератора от
интенсивности солнечного излучения
При интенсивности солнечной радиации Р=800 Вт/м2 полезная мощность
практически не превышает 130 Вт/м2. Куда же расходуется оставшаяся
неиспользованной энергия? Следует избегать того, чтобы эта энергия
затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки, поскольку в
противном случае возбужденные носители могут преодолевать запирающий слой
различными «окольными» путями. Поскольку интенсивность колебаний решетки
непосредственно связана с температурой, то в равной мере можно говорить о
необходимости поддерживать температуру на низком уровне. Этого добиваются
различными способами. Обычно при повышении рабочей температуры с 20 до 100°
С КПД установки снижается на одну треть. Очевидно, ту часть спектра
солнечной радиации, которая расходуется непроизводительно, можно устранить
с помощью соответствующих отражающих покрытий, но внутри генератора всегда
происходят какие-нибудь тепловые процессы, поэтому необходимо обеспечить по
возможности наилучший отвод тепла через теплопроводность или
лучеиспускание.
Глава 3. Перспективы развития фотоэлектрических генераторов.
Вопреки различным оптимистичным прогнозам простейшие фотоэлектрические
генераторы по КПД пока еще не превосходят системы на основе механических
тепловых машин и термоионных преобразователей. Низкий КПД
фотоэлектрического генератора объясняется двумя основными причинами: с
одной стороны, значительная часть световых фотонов обладает энергией,
которая не оказывает нужного действия на электроны материала, а с другой -
разность потенциалов V на нагрузке составляет лишь малую часть от
напряженности поля Eз в запрещенной зоне. Весьма вероятно, что проводимые в
настоящее время исследования позволят создать новые устройства, в которых
указанные недостатки окажутся менее существенными. В высоколегированных
полупроводниках, где ширина запрещенной зоны значительно больше, второй из
названных недостатков выражен значительно слабее. В этом случае число
носителей, преодолевающих р-n-переход «окольными» путями, уменьшается.
Проводятся перспективные исследования по созданию более сложных устройств,
схематически показанных на рис. 13.
Рис. 13. Типы фотоэлектрических генераторов: а—однокаскадный;
б—многокаскадный.
Солнечная радиация сначала попадает на элемент, изготовленный из
полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, благодаря чему он
обладает высоким КПД в нужной нам части солнечного спектра. Фотоны с
энергиями ниже Eз не оказывают воздействия на этот элемент, материал
которого для них по существу является прозрачным. Пройдя через первый
каскад, эти фотоны попадают во второй, выполненный из материала с меньшей
величиной Eз (по сравнению с первым элементом). Его способность захватывать
эти фотоны высока, хотя КПД ниже, чем у первого элемента. Такое сочетание
двух солнечных элементов позволяет получить более высокий суммарный КПД,
чем для каждого из них в отдельности. Возможность дальнейшего
совершенствования такого рода устройств открывается с применением для их
изготовления интегральной технологии и созданием так называемого
интегрального генератора, в котором ширина запрещенной зоны изменяется с
глубиной; она велика у облучаемой поверхности, а затем уменьшается в глубь
материала. Эта и другие новые разработки фотоэлектрических генераторов
открывают дальнейшие перспективы повышения их КПД; предполагается, что КПД
фотоэлектрических систем может достигнуть 50—60%, то есть превысить КПД
любых других систем. Особое внимание уделяется вопросу удешевления
конструкций фотоэлектрических генераторов, поскольку созданные до
настоящего времени устройства оказались чрезвычайно дорогостоящими.
Еще 10-20 лет назад цена фотоэлектрического преобразователя площадью в 1
см2 составляла в среднем несколько долларов. Причины такой высокой
стоимости понятны, если учитывать чрезвычайно высокие требования к чистоте
полупроводниковых материалов. В последние годы удалось удешевить
производство, заменив дорогой монокристаллический кремний
поликристаллическим и разработав новые технологии изготовления элементов. В
результате стоимость наземных солнечных батарей снизилась в несколько раз.
Также вместо чистого кремния стали применять относительно новый
полупроводник алюминий-галий-мышьяк (AlGaAs) - с ним связывают надежды на
новое снижение стоимости фотоэлементов.
IV. Химическое преобразование солнечного излучения (фотохимия).
Давно замечено, что солнечное излучение вызывает различные химические
превращения, например, отбеливает красители. Это явление веками
использовалось людьми на практике. Но лишь в XVIII в. стало известно, что
под влиянием освещения происходит почернение некоторых солей серебра. В
1839 г. Беккерель, исследуя подобный эффект, обнаружил, что при изменении
освещенности одного из электродов химического элемента разность потенциалов
на его электродах изменяется. Это послужило началом развития новой области
знаний, названной фотохимией, а в последнее время известной как
радиационная химия.
Хотя некоторые из результатов исследований в фотохимии имеют важнейшее
значение для человечества—здесь в первую очередь мы должны назвать
фотографию—однако другие практические приложения ее пока весьма
ограниченны. Отчасти это обусловлено отсутствием надлежащей аппаратуры для
постановки экспериментов. Только недавно стало возможным изучение ранних
стадий фотохимических реакций, продолжительность которых иногда составляет
миллионные доли секунды. И теперь фотохимия начала бурно развиваться.
Фотодиссоциация
При поглощении солнечной радиации атомами и молекулами вещества в нем
возникают разнообразные физические эффекты. Например, при нагревании тел
под действием солнечного излучения колебательные и вращательные движения
составляющих их молекул становятся более интенсивными. Эти эффекты
обусловлены, перераспределением внутри тела энергии фотонов падающего
излучения. Теперь будет рассмотрен следующий этап воздействия радиации на
вещество: разделение, или лизис, молекул и образование новых химических
соединений.
С точки зрения преобразования энергии процесс фотолиза интересен тем, что
он позволяет «запасать» солнечную энергию посредством получения более
устойчивых химических соединений. При необходимости эту энергию можно
реализовать, например, в виде тепла, выделяемого при сжигании таких
веществ. Одной из разновидностей фотолиза является разложение воды на
водород и кислород. Реакцию разложения воды можно записать в следующем
виде:
2Н2О + солнечная энергия > 2Н2 + О2 (3)
Затраченную при этом солнечную энергию (по крайней мере часть ее) в
дальнейшем мы могли бы получить либо при сжигании водорода и кислорода в
печи или двигателе внутреннего сгорания, либо в топливном элементе, где в
результате соединения водорода с кислородом с образованием воды
вырабатывается электроэнергия. Отсюда видно, насколько важное значение в
жизни людей могло бы иметь осуществление такого рода процессов. Они
заслуживают того, чтобы исследовать возможность их реализации.
Почему же процесс, описанный уравнением (3), не возникает естественным
образом в природе? (В противном случае в воздухе содержалось бы много
водорода и было бы мало воды.) Такой процесс мог бы произойти, если бы
энергия отдельного фотона оказалась достаточной для разложения молекулы
воды. Если же какая-то молекула уже получила порцию энергии от одного
фотона, то поглощение ею второго фотона исключено. Даже при обычных
температурах молекулы газа или пара каждую секунду испытывают около 109
столкновений, поэтому любой избыток энергии довольно быстро
перераспределяется среди соседних молекул. Сейчас разложение воды на
кислород и водород осуществляется в процессе электролиза. В результате
этого процесса под действием электрического напряжения молекулы воды
разлагаются на ионы противоположного, знака. Совершаемую при этом работу
легко измерить. Для диссоциации одной молекулы воды необходима энергия
около 3 эВ. Если процесс диссоциации производится под действием солнечной
радиации, то длина волны световых фотонов должна быть меньше 0,4 мкм.
Однако в спектре солнечного излучения на уровне моря такие фотоны
составляют лишь 3%, следовательно, КПД процесса не превышает 2%. Несмотря
на это, использование данного процесса могло быть практически
целесообразно, если бы для его реализации не требовалось больших
материальных затрат. Основная трудность заключается в том, что вода
прозрачна для фотонов с длиной волны около 0,4 мкм (иначе говоря,
поглощение таких фотонов молекулами воды слишком слабое), поэтому КПД
процесса оказывается еще меньше. Как видно из рис. 14, при этих длинах волн
вода только начинает проявлять сколько-нибудь заметную поглощательную
способность.
Рис. 14. Поглощение солнечной радиации в воде.
Энергия фотонов в этой области достаточна для диссоциации воды, однако в
солнечном спектре на уровне моря такие фотоны, отсутствуют.
Слабое поглощение фотонов водой препятствует и широкому использованию
указанному выше способу разложения воды, то же можно сказать и о других
реакциях, например с получением перекиси водорода. Созданию такого типа
постоянно действующего аккумулятора энергии препятствует многое. Довольно
часто продукты диссоциации оказываются настолько реактивными, что почти тут
же вступают в реакции. В других случаях эти продукты сами поглощают энергию
радиации, что приводит к образованию менее полезных промежуточных
соединений. Однако поисковые исследования в этой области продолжаются. В
принципе совсем необязательно, чтобы исходный материал был дешевым и
широкодоступным, поскольку возможны реакции, в которых происходит
регенерация рабочего вещества, то есть запасенная в нем энергия
восстанавливается, а само вещество можно использовать повторно и т. д.
Таким образом, круг веществ, пригодных для осуществления рассматриваемых
реакций, значительно расширяется.
Фотохимический элемент
Одним из проявлений фотохимической активности может служить возникновение
разности потенциалов на зажимах химического элемента при освещении одного
из его электродов.
|
