Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Преобразователи тепловой энергии солнечного излучения

В тепломеханических преобразователях тепловая энергия подводится к рабочему телу, находящемуся в газообразном или жидком состоянии, и превращается в механическую энергию в газовом или парожидкостном цикле. Механическая энергия в дальнейшем может быть преобразована в электрическую с помощью машинного электрогенератора.

Теплоэлектрические преобразователи можно разделить на две подгруппы. К первой из них относятся статические преобразователи, в которых превращение тепла в электро энергию осуществляется за счет различных физических эффектов в твердом теле. К числу таких эффектов относятся термоэлектронная эмиссия, термоэлектрические явления, а также термодиэлектрические и термомагнитные эффекты. Вторую подгруппу образуют динамические преобразователи, среди которых наибольший интерес для космической знергетики представляют магнито и элек трогазодинамические генераторы. В преобразователях этих типов тепловая энергия используется для ионизации и разгона рабочего тела, взаимодействие которого с магнитным или электростатическим полем приводит к генерации электрической энергии.

Имея в виду, что важнейшим требованием к системам преобразования энергии СКЭС является требование высокой энергетической эффективности, рассмотрим преобразователи тепловой энергии прежде всего с этой точки зрения.

Эксергетический КПД, характеризующий энергетическое совершенство преобразователей тепловой энергии солнечного излучения, определяется произведением относительного КПД цикла Карно в диапазное максимальной и минимальной рабочих температур преобразователя и так называемого коэффициента использования, учитывающего все необратимые потери энергии в процессе преобразования, т. е.

Из выражений (2. 15)—(2. 17) следует, что высокая энергетическая эффективность преобразователей тепловой энергии солнечного излучения может быть достигнута либо за счет расширения диапазона их рабочих температур, приводящего к росту либо путем повышения коэффициента использования.

Однако в системах преобразования энергии СКЭС увеличение максимальной температуры подвода тепла связано с необходимостью повышения степени концентрации солнечного излучения (рис. 2.6), что в свою очередь требует повышения геометрической точности отражающей поверхности (приближения ее к идеальной исходной конфигурации) и точности наведения концентратора на Солнце. Следствием этого является необходимость увеличения жесткости и массы системы концентрации, а также расхода мощности и рабочих тел в исполнительных органах системы ориентации отдельных отражателей и зеркала в целом.

С другой стороны, нужно учитывать, что отвод тепла в космосе возможен только за счет излучения, а площадь теплоизлучающих поверхностей, согласно закону Стефана—Больцмана, обратно пропорциональна четвертой степени температуры теплоотвода. Отсюда следует, что снижение минимальной рабочей температуры преобразователя тепловой энергии должно приводить к значительному увеличению размеров и массы холодильникаизлучателя, являющегося одним из наиболее тяжелых элементов системы преобразования (30 —40 % от общей массы).

Таким образом, повышение энергетической эффективности преобразователей тепловых СКЭС за счет увеличения приводит к возрастанию удельной массы и стоимости системы преобразования в целом, усложняет ее эксплуатацию, а следовательно, возможно лишь в весьма ограниченных пределах. Поэтому лучшими преобразователями тепловой энергии для СКЭС являются те, которые при умеренных значениях имеют высокую внутреннюю эффективность, характеризуемую коэффициентом. С учетом этого обстоятельства и следует производить сравнительную оценку преобразователей различных типов.

При характерных для СКЭС уровнях мощности и ресурсах наиболее подходящими из числа тенломеханиче ских преобразователей являются газо и паротурбинные преобразователи замкнутых схем, работающие соответственно по циклам Брайтона и Ренкина. У дельные энергетические показатели таких преобразователей улучшаются с ростом их мощности: проявляется так называемый «масштабный эффект», обусловленный снижением относительной величины необратимых потерь энергии в элементах установок. При средних значениях температур подвода тепла к рабочему телу преобразователей порядка 1000—1200 К их КПД может достигать 25—30 % и более. Технология производства мощных (сотни мегаватт) турбоагрегатов хорошо развита, их создание не связано с использованием большого количества дефицитных материалов, удельная стоимость относительно низка.

В газотурбинных преобразователях (ГТП) космического назначения, работающих по циклу Брайтона, в качестве рабочих тел используют инертные газы и их смеси. Следствием этого являются исключение фазовых превращений рабочего тела в цикле преобразования энергии и практически полное отсутствие его эрозионного и коррозионного воздействия на элементы конструкции преобразователя. Указанные факторы в сочетании с относительной простотой регулирования мощности, Возможностью использования надежных и износостойких газовых подшипников, обеспечивающих длительный ресурс работы вращающихся агрегатов, легкостью запуска и некоторыми другими положительными свойствами ГТП и обусловливают определенный интерес к ним как преобразователям тепловой энергии для СКЭС.

Структурнопоточная схема ГТП и Т—диаграмма цикла Брайтона с регенерацией тепла изображены на рис. 2.7. В замкнутом контуре преобразователя протекают следующие процессы: изобарный подвод тепла от приемника лучистой энергии СВИТ; политропическое расширение газа на турбине, изобарный отвод тепла в рекуператоре и к холодильнику излучателю c—d; политропическое сжатие газа в компрессоре d—е и его нагрев в рекуператоре.

Неизотермичность подвода и отвода тепла в цикле преобразования энергии, затрата значительной доли мощности турбины на привод компрессора, большие потеря давления рабочего тела в теплообменниках и других элементах ГТП — все это приводит к тому, что коэффициент использования у преобразователей этого типа обычно не превышает 0.3—0.4. Следовательно, для получения высоких значений эффективного КПД преобразователя и системы в целом необходимо увеличивать перепад температур в цикле, что связано с отмеченными уже негативными последствиями. Это является основным недостатком ГТП с точки зрения требований, предъявляемых к элементам систем преобразования энергии СКЭС.

В паротурбинных преобразователях (ПТП) значительная часть тепла подводится и отводится в изотермических процессах фазовых переходов рабочего тела из жидкого состояния в парообразное, что значительно повышает их относительный термический КПД Данное обстоятельство в сочетании со сравнительно малыми затратами мощности турбины на привод насоса, который осуществлял повышение давления и прокачку рабочего тела в контуре, определяет возможность получения в ПТП, реализующих цикл Ренкина, более высоких значений коэффициента использования 1=0.5—0.6. Соответственно в преобразователях этого типа при относительно низких средних значениях температуры теплоподвода (до 1000 К) и умеренных перепадах температур могут быть достигнуты достаточно большие значения эффективного КПД (20— 30 %), возрастающие при увеличении мощности установки. Этим и обусловлены основные преимущества ПТП передпреобразователями, работающими по циклу Брайтона.

Эффективность ПТП в значительной степени зависит от свойств рабочего тела, в качестве которого могут использоваться вода, жидкие металлы и органические соединения.

Вода при умеренных температурах подвода тепла имеет слишком большое давление насыщенного пара, что неприемлемо с точки зрения требований к массогабаритным показателям и надежности систем преобразования энергии СКЭС.

Жидкие металлы обладают превосходным сочетанием термодинамических и теплофизических свойств, обеспечивающих высокие значения относительного термического КПД ПТП и компактность элементов теплообменного оборудования,

На рис. 2.8 представлены структурнопоточная схема ПТП и диаграмма цикла Ренкина на щелочных металлах. Характерной особенностью таких ПТП является возможность их реализации в одноконтурном исполнении. Обусловлено это тем, что высокие значения коэффициентов теплоотдачи щелочных металлов исключают необходимость введения дополнительных жидкостных контуров для передачи тепла от СВИТ или к холоди л ьникуизлучателю, как это приходится делать в системах с ГТП изза низкой интенсивности теплообмена между газом и поверхностями соответствующих устройств.

Для ПТП в общем случае возможны два режима работы — на влажном и на сухом паре. В зависимости от вида рабочего тела работа на сухом паре может осуществляться с перегревом или без него. В жидкометаллических ПТП (рис. 2.8) при работе турбин на влажном паре цикл наиболее близок к циклу Карно и состоит из двух изотерм (d—а и b—с) и двух политроп (с—d и а—Ь). Линии, характеризующие отдельные процессы в цикле, не выходят за пределы линии насыщения пара (линия х=1 на рис. 2.8, б). В этом случае относительный термический КПД преобразователя близок к единице, но трудно обеспечить высокую энергетическую эффективность и надежность турбины, работающей в парах щелочных металлов.

Чтобы турбина работала на сухом паре, осуществляют его перегрев по изобаре а—а (рис. 2.8, б). Расширение пара на турбине происходит по политропе, а отвод тепла — по изобаре V—е и замыкающей цикл изотерме КПД и надежность турбины в данном случае будут выше, чем при ее работе на влажном паре, но понижается относительный термический КПД цикла и возрастает температура подвода тепла, а следовательно, ужесточаются требования к СВИТ, что нежелательно. С учетом зтого обстоятельства для систем преобразования энергии СКЭС предпочтение может быть отдано жидкометаллическим ПТП на влажном паре, использующим в качестве рабочего тела щелочные металлы, например калий или цезий. Их эффективный КПД должен быть приблизительно таким же, как и у ГТП, т. е. достигать 25—30 %, но при меньшем перепаде температур, обеспечивающем лучшие массогабаритные показатели системы преобразования в целом.

Основные недостатки жидкометаллических ПТП связаны с агрессивностью щелочных металлов по отношению к конструкционным материалам, их токсичностью, взрыво й пожароопасностью, что затрудняет обеспечение требуемой надежности, ресурса и безопасности эксплуатации системы преобразования энергии СКЭС.

Более перспективными в этом отношении могут оказаться ПТП с органическими рабочими телами (ОРТ). Низкое давление насыщенных паров при достаточно высоких температурах кипения, хорошая совместимость с конструкционными материалами, нетоксичность и взрыво безопасность являются теми основными свойствами ОРТ, которые обеспечивают им преимущества перед водой и жидкими металлами и способствовали успешному развитию работ по созданию ПТП с ОРТ для космических энергоустановок.

Наряду с отмеченными достоинствами рассмотренным тепломеханическим преобразователям энергии присущ и ряд недостатков, которые ограничивают возможности их применения на СКЭС. Так, в частности, наличие массивных вращающихся агрегатов и циркуляция больших масс рабочего тела в контурах преобразователей затрудняют точную ориентацию системы на Солнце. При работе турбогенераторов могут возникать вибрации, которые усложнят управление СКЭС в целом. Трудно решается проблема создания герметичных уплотнений с большим ресурсом работы, особенно для жидкометаллических ПТП, и т. д.

Эти недостатки в значительной мере не свойственны теплоэлектрическим преобразователям энергии, особенно статическим, однако для большинства из них характерны низкие значения эффективного КПД, что является весьма критичным с точки зрения требований к преобразователям энергии СКЭС. Определенное исключение в этом отношении составляют термоэмиссионные преобразователи энергии, работы по созданию которых получили в последние годы существенное развитие.

В термоэмиссионных преобразователях (ТЭП) осуществляется прямое преобразование тепловой энергии в электрическую на основе эффекта термоэлектронной эмиссии. Сущность этого эффекта, как известно, состоит в том, что при нагреве металла до достаточно высокой температуры, значительная часть его свободных электронов приобретает энергию, при которой они способны покинуть поверхность металла. Принципиально ТЭП (рис. 2.9) состоит из двух близко расположенных металлических пластин — катода (или эмиттера) и анода (или коллектора), соедийенных через нагрузку внешней электрической цепью. Поверхность катода, имеющего значительно более высокую температуру, чем анод, эмиттирует электроны, которые, пересекая межэлектродный зазор, попадают на анод, а затем через внешнюю цепь возвращаются на катод, совершив полезную работу на нагрузке [39].

При работе ТЭП в его межэлектродном зазоре образуется пространственный заряд с отрицательным потенциалом, для преодоления которого электроны должны иметь избыток кинетической энергии. С целью снижения или устранения влияния пространственного потенциального барьера в межэлектродный зазор вводятся ионизированные пары щелочного металла — цезия. Для этого вакуумированная полость электродов соединяется с подогреваемым резервуаром, содержащим жидкий цезий.

Для поддержания требуемой температуры катода к нему от СВИТ должна непрерывно подводиться тепловая мощность высокой плотности. Подводимое тепло компенсирует унос энергии электронами (так называемое «электронное охлаждение»), а также потери тепла излучением на анод й теплопроводностью через токопроводы. Испускаемые катодом электроны и излучение нагревают анод, который при высокой температуре также способен эмиттировать электроны. Их попадание на катод приводит к уменьшению тока во внешней цепи. Поэтому тепло от анода должно постоянно отводиться для поддержания более низкой, чем у катода, температуры.

С другой стороны, нужно учитывать, что основные необратимые потери энергии в ТЭП связаны с лучистым теплообменом между катодом и анодом. Для их уменьшения температура анода не должна быть много ниже температуры катода, а следовательно, возможности повышения эффективного КПД ТЭП за счет снижения температуры отводатепла (т. е. КПД Карно) огрaнничены.

Характерные значения температуры катода ТЭП составляют 1700—2000 К, а температуры анода 900—1000 К. Значение коэффициента использования, в этом температурном диапазоне для перспективных конструкций ТЭП достигает 0.4—0.5.

Высокий уровень температуры подвода тепла затрудняет применение ТЭП в системах преобразования энергии

СКЭС изза чрезмерно высоких требований к точностным характеристикам концентраторов солнечного излучения и связанного с зтим увеличения их массы. Однако этот недостаток частично компенсирует высокая температура теплоотвода, позволяющая существенно снизить размеры и массу холодильника излучателя.

Одна из главных проблем совершенствования ТЭП с целью улучшения перспектив их применения в системах преобразования энергии СКЭС — снижение рабочей температуры катода при сохранении высоких значений КПД и удельной мощности преобразователя. Путь к решению этой проблемы связан с созданием коллекторов, имеющих работу выхода электронов около 1 зВ, и уменьшением энергетических потерь в межзлектродном зазоре. В результате решения этих двух задач «барьерный индекс» V6 (сумма потерь в плазме и работы выхода коллектора) должен быть снижен до 1.5 зВ в преобразователях второго поколения против 2 зВ в существующих преобразователях первого поколения. В дальнейшем (в преобразователях третьего поколения) предполагается снизить барьерный индекс до 1 зВ. Рис. 2.10 иллюстрирует влияние V6 на зависимость удельной мощности ТЭП от температуры катода [58]. Снижение рабочей температуры ТЭП позволяет также значительно увеличить ресурс их работы, расширяет возможности использования разнообразных электродных материалов с заданными эмиссионными и адсорбционными свойствами и т. д. Для уменьшения «барьерного индекса» используются различные методы, одним из наиболее перспективных среди которых является геометрическое развитие поверхностей электродов.

Рассматриваются возможности применения и других типов теплозлектрических преобразователей на СКЭС, в частности термодизлектрических и магнитогазодинамических [78, 112]. Однако низкий достигнутый уровень КПД зтих преобразователей не дает оснований считать их достаточно перспективными в данном случае.

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Их предельный теоретический КПДсоответствует теоретическому пределу для преобразователей солнечной энергии и, согласно уравнению (2. 8), определяется как

При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300—350 К превышает 90 %. Это означает, что, если в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленной на снижение необратимых потерь энергии, удастся поднять его зксерге тический КПД до значений 0.5—0.6, эффективный КПД достигнет 50 % и более, т. е. существенно превысит эффективный КПД любого из рассмотренных выше преобразователей тепловой энергии солнечного излучения.

Теоретические исследования [30] и практические разработки [3, 35, 43] 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 фотоволь таическом 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 р—п переходов) или путем соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны (создание гетеропереходов), или же за счет изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещенной зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с р—n-переходом, которые наиболее широко применяются в современной космической энергетике. Схема ФЭП с р—переходом изображена на рис. 2.11. Электроннодырочный переход создается путем легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определенным типом проводимости (т. е. р или тгтипа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы п и pслоев в результате перетечки зарядов образуются обедненные зоны с нескомпенсированным объемным положительным зарядом в гаслое и объемным отрицательным зарядом в pслое. Эти зоны в совокупности иобразуют р—nпереход (рис. 2.11, б).

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т. е. электронов со стороны /гслоя и дырок со стороны pслоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство р—nперехода и определяет возможность получения фотоЭДС при облучений ФЭП солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя, прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нем, рассеянием на тепловых колебаниях решетки избыточной энергии фотонов, рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объеме 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 запрещенной зоны;
— направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путем ее оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
— переход от гомогенных к гетерогенным и варизон ным полупроводниковым структурам;
— оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания р—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 запрещенной зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом, каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.

Существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счет создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью, применения люминесцентно пере излучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных пленочных светоделителей (ди хроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

В системах преобразования энергии СКЭС р 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 сформулированных выше требований к этим системам (см. раздел 2.1). Так, например, некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СКЭС количествах изза ограниченности природных запасов исходного сырья и сложности его переработки, отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счет создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. п.

Некоторое представление о требуемых темпах и объемах производства полупроводниковых ФЭП для системы преобразования энергии СКЭС электрической мощностью 8.6 ГВт (5 ГВт на Земле) дает табл. 2.2, из которой, в частности, следует, что для создания трех станций в год при КПД ФЭП около 15 % необходимо обеспечить непрерывный (в течение года) выпуск преобразователей с производительностью около 15 ООО ма/ч. Эта цифра сопоставима с современными показателями годового производства ФЭП во всем мире.

Такая высокая производительность может быть достигнута только 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.

В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СКЭС в настоящее время рассматриваются кремний и арсенид галлия (GaAs), причем в последнем случае речь идет о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs—GaAs. ФЭП на основе GaAs, как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещенной зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещенной зоны полупроводниковых преобразователей солнечной энергии. Реально достигнутые значения КПД ГФП на основе GaAs в настоящее время еще ненамного превышают КПД лучших образцов кремниевых преобразователей, однако темпы и перспективы из увеличения являются весьма обнадеживающими (рис. 2.12, а) [116]. Предполагается, что КПД кремниевых ФЭП для СКЭС в 1985—1990 гг. может достичь 14—16 %, в то время как для ГФП ожидают получить КПД 18—20 % и более.

Вследствие высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению, с кремнием толщине ФЭП (рис. 2. 12, б). Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5—6 мкм для получения КПД порядка 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50—100 мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание легких пленочных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs, а другой материал, например синтетический сапфир (А1203).

Высокие значения КПД и малая толщина ГФП на основе GaAs создают предпосылки для существенного снижения размеров и массы СКЭС с преобразователями такого типа, так как, например, уменьшение толщины ФЭП всего на 1 мкм при площади солнечных батарей (СБ) станции порядка 100 км2 позволяет сэкономить 100 м8 полупроводникового материала.

В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности создания ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для СКЭС. Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды (табл. 2.3). Как видно из таблицы, самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако концентрация его там очень невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1 %, а следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Так, например, только прокачка воды для добычи 1 кг галлия, по оценкам авторов работы [116], будет стоить примерно 7000 долл.

Рассматривается также возможность использования в системах преобразования солнечной энергии СКЭС и других полупроводниковых материалов, в частности сульфида кадмия, на основе которого могут быть созданы тонкопленочные ФЭП. Однако КПД таких преобразователей в настоящее время значительно ниже, чем КПД кремниевых СЭ, и, что не менее существенно, запасы кадмия ограниченны, а добыча его связана с большими трудностями.

Так, например, по оценкам авторов работы [87], для создания одной СКЭС мощностью 10 ГВт при толщине ФЭП 5 мкм и КПД 12 % потребовалось бы 50 % всего кадмия, производимого в США.

В зтой связи более перспективным может оказаться фосфид цинка, запасы исходных материалов для производства которого практически неограниченны.

Определенные надежды возлагаются на тонкопленочные ФЭП из аморфного кремния, имеющего примерно такой же предельный теоретический КПД, как и монокристаллический кремний (порядка 22—24 %). Однако практически достигнутые значения эффективного КПД таких ФЭП пока не превышают 5—6 %, что недостаточно для преобразователей СКЭС [4].

Существенное улучшение характеристик фотоэлектрических систем преобразования энергии СКЭС может быть достигнуто за счет использования концентраторов солнечного излучения. Применение концентраторов позволяет?

Сократить площадь ФЭП, количество СЭ и расход полупроводникового материала для создания СКЭС, однако повышение температуры и связанное с этим снижение КПД СЭ уменьшает положительный эффект концентрации.

Снизить отрицательное влияние повышения температуры на КПД ФЭП при концентрации излучения можно, применяя в системе преобразования энергии СКЭС ГФП на основе GaAs, а также используя селективные покрытия на поверхности концентраторов и солнечных батарей [36, 100]. Селективные теплорегулирующие покрытия на освещаемой поверхности ФЭП пропускают солнечное излучение в области спектральной чувствительности СЭ 0.4—1.1 мкм для кремниевых ФЭП и 0.4—0.9 мкм для ГФП на основе GaAs и отражают излучение в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах длин волн солнечного спектра. Покрытия, наносимые на поверхность концентратора, отражают видимую часть спектра и пропускают на подложку зеркала ультрафиолетовое и инфракрасное излучение [10]. По оценкам авторов работы [100], стоимость теплорегулирующих («горячих») покрытий для ФЭП в 50 раз выше стоимости «холодных» покрытий для концентраторов. Кроме того, «горячие» покрытия могут разрушаться и темнеть под влиянием УФизлучения, уменьшая прохождение видимой части излучения к ФЭП, в то время как «холодные» покрытия исключают попадание УФизлучения на поверхность СБ. Таким образом, в фотоэлектрических системах преобразования энергии СКЭС с концентраторами солнечного излучения предпочтение, вероятно, должно быть отдано селективным покрытиям, наносимым на отражающую поверхность зеркала.

В табл. 2.4 [116] показана зависимость температуры ГФП на основе GaAs от коэффициента концентрации для систем без покрытия и с селективно отражающим покрытием. Из данных таблицы следует, что в таких системах при наличии селективного покрытия можно использовать пятикратную концентрацию солнечного излучения при уровне рабочей температуры преобразователей около 125 °С.

Дополнительная возможность увеличения коэффициента концентрации связана с применением покрытий, обладающих высокой излучательной способностью, которые могут наноситься на освещенную и тыльную поверхности СБ, обеспечивая снижение их равновесной температуры. В этом случае коэффициент концентрации в системах на основе ГФП из GaAs может быть увеличен до 10 при рабочей температуре, не превышающей 150 °С.

Следует, однако, иметь в виду, что выбор оптимальных параметров системы концентрации для фотоэлектрических систем преобразования энергии СКЭС не определяется влиянием повышения плотности излучения только на энергомассовые характеристики ФЭП. С увеличением коэффициента концентрации, как известно, возрастают требования к точности ориентации системы на Солнце, либо для обеспечения требуемой концентрации при неточной ориентации необходимо увеличивать площадь отражающей поверхности, чтобы скомпенсировать эту неточйость. Табл. 2.5 [117] содержит расчетные данные о требуемом увеличении площади отражателя при различных коэффициентах концентрации и углах разориентации. Из таблицы, в частности, видно, что при коэффициенте концентрации больше 5 и любом угле разориентации либо угле разориентации +1° и коэффициенте концентрации 8 площадь отражающей поверхности должна быть увеличена более чем на 200 %, чтобы обеспечить требуемую плотность падающего излучения на поверхности СБ.

Такое увеличение площади концентратора приведет к возрастанию массы системы преобразования, а увеличение точности ориентации связано с возрастанием расхода энергии и массы рабочего тела в системе ориентации .станции. Все это неизбежно увеличит стоимость создания и эксплуатации СКЭС.

В совокупности все указанные обстоятельства и определяют выбор для большинства проектов СКЭС коэффициента концентрации не выше чем 2—3. Более точное определение оптимальных параметров системы концентрации СКЭС требует учета таких факторов, как неравномерность распределения плотности лучистых, потоков на поверхности СБ, неоднородность их температурных полей, особенности схем коммутаций СЭ и пр., и представляет собой достаточно сложную оптимизационную задачу.

Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986. — 182 с.

Экспертиза

на главную