Пассивное использование солнечного света обеспечивает примерно 15% потребности обогрева помещений в стандартном здании и является важным источником энергосбережения. При проектировании здания необходимо учитывать принципы пассивного солнечного строительства для максимального использования солнечной энергии. Эти принципы можно применять везде и практически без дополнительных затрат.

Преобразователи солнечной энергии.

Гелиоэнергетика (гелио... [греч. Helios - солнце] - первая составная часть сложных слов, означающая: относящийся к солнцу или солнечным лучам) развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечными батареями в просторечии называют и электрические и нагревательные устройства. Следует подчеркнуть разницу между элементами.

Различают три  основных преобразователя солнечной  энергии в электрическую:

1. Фотоэлектрические преобразователи - ФЭП- полу-проводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Несколько объединённых ФЭП называются солнечной батареей (СБ).
2. Гелиоэлектростанции (ГЕЭС)- солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
3. Солнечные коллекторы (СК)- солнечные нагревательные низкотемпературные установки.

Подробнее разберем каждый из этих преобразователей.

Фотоэлектрические преобразователи

     Наиболее  эффективными с энергетической точки  зрения устройствами для превращения  солнечной энергии в электрическую (т.к. это прямой, одноступенчатый переход энергии) являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300-350 Кельвинов и Т солнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 % . Это означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленной на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально удастся поднять практический КПД до 50% и более (в лабораториях уже достигнут КПД 40%).

     Теоретические исследования  и практические разработки, в области  фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность реализации столь высоких значений КПД с ФЭП и определили основные пути достижения этой цели.

     Преобразование  энергии в ФЭП основано на фотовольтатическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. 
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p - n-переходов)  или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимости, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

     Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере  преобразователей с p-n- переходом, которые  широко применяются в современной  солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся  путём легирования пластинки  монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом  проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси  в этом слое должна быть значительно  выше, чем концентрация примеси в  базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся  там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с некомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары ) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е.электроны) свободно проходят через переход , а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда - фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными.

     Основные  необратимые потери энергии в  ФЭП связаны с:

• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП,
• внутренним сопротивлением преобразователя,
• и некоторыми другими физическими процессами.

     Для уменьшения всех видов потерь энергии  в ФЭП разрабатываются и успешно применяются различные мероприятия. К их числу относятся:

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения   шириной запрещённой зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

     Также существенного повышения КПД  ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней  чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны). Применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.д. 
 
 
 
 

     В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть использованы любые созданные  и разрабатываемые в настоящее  время типы ФЭП различной структуры  на базе разнообразных полупроводниковых  материалов, однако не все они удовлетворяют  комплексу требований к этим системам:

• высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;
• доступность исходных материалов в достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность организации их массового производства;
• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты на создание системы преобразования;
• минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос),включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• удобство техобслуживания.

     Так, например, некоторые перспективные  материалы трудно получить в необходимых  для создания СЭС количествах  из-за ограниченности природных запасов  исходного сырья и сложности  его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например, за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.д. Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например, на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, т.е. фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза. 

Гелиоэлектростанции.

      Гелиоэнергетические программы приняты  более чем в 70 странах - от северной Скандинавии до выжженных пустынь  Африки. Устройства, использующие энергию  солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции зданий, небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии.

     Такие устройства используются в различных  технологических процессах. Появились  транспортные средства с "солнечным приводом": моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным авто аттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей обычному автомобилю.

     С детства многие помнят, что с помощью  собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия. 

     Наиболее  эффективно их можно использовать в  южных широтах, но и в средней  полосе они находят применение. Зеркала  в установках используются либо традиционные - стеклянные, либо из полированного  алюминия.

     Технически  концентрацию можно осуществлять с  помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, световодов и пр., однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели.

     Основным  энергетическим показателем концентратора  солнечного излучения является коэффициент  концентрации, который определяется как отношение средней плотности  сконцентрированного излучения  к плотности лучевого потока, падающего  на отражающую поверхность при условии  точной ориентации на Солнце.

     Концентрирующая способность реальных систем значительно ниже, но также определяется, прежде всего, геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенно на неё влияет и отражательная способность зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений.

     Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь  конфигурацию, близкую к форме  поверхностей вращения второго порядка - параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную.

      Солнечная энергия  может непосредственно преобразовываться  в механическую энергию.

     Для этого используется двигатель Стирлинга (двигатель внешнего сгорания, пример-паровоз). Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 куб.м. воды в час. В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости. Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует систему параболоцилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, нагреваемым до 350°С.

     Желоб поворачивается для слежения за солнцем  только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило  упростить систему слежения за солнцем.