7.6. Фотопреобразовательные элементы и солнечные батареи

Фотоэлектрические полупроводниковые элементы (ФЭП), предназначен­ные для непосредственного преобразования лучистой энергии в электрическую, с момента своего возникновения рассматриваются как одно из наиболее пер­спективных направлений в создании солнечных батарей (СБ) и солнечных энергетических установок (СЭУ), которые могут быть использованы в качестве экологически чистых и безопасных, а также практически неиссякаемых и во­зобновляемых источников электроэнергии.

При сложившихся темпах энергопотребления легко подсчитать, что ме­сторождения нефти будут исчерпаны в течение 40 -50 лет, угля - в течение 170 -200 лет, природного газа - в течение 50 - 60 лет, урана - в течение 70 - 80 лет.

В то же время, солнечная энергия, как источник и залог жизни на планете Зе^ля, будет, вероятно, существовать неопределённо долго.

Максимальная мощность солнечного излучения, достигающая земли, со­ставляет в среднем 1кВт/м² (некоторые авторы называют цифру 2 кВт/м²). Это, невзирая на низкую концентрацию солнечного излучения, означает, что общее количество солнечной энергии, падающей на землю, колоссально - за один час

солнце отдаёт земле энергию, равную общему количеству энергии, потребляе­мой человечеством за один год. Если кпд фотопреобразователей принять рав­ным всего 5% (а это сегодня уже более чем реальность), то покрытая ими пло­щадь в 0,0025% поверхности земли полностью удовлетворит мировую потреб­ность в элетроэнергии. Оценки показывают, что для изготовления необходимо­го количества таких ФЭП понадобится 3-Ю⁵ тонн кремния, в то время, как сей­час в год уже производится более 3-10³ тонн кремния.

Приведенные цифры внушают определённый оптимизм тем, кто занима­ется проблемами разработки и внедрения ФЭП и солнечных батарей.

Абсолютное большинство ФЭП изготавливается на основе кремния, в ря­де случаев для этой цели используют полупроводниковые соединения типа А₂Вб (Сё8, СсГГе) и А₃В₅ (СаАз, 1пР и др.). Структура ФЭП может быть гомо-или гетеропереходной, основанной на объёмных или тонкоплёночных компо­зициях (монокристаллических, поликристаллических или аморфных).

Для эффективной работы ФЭП необходимо выполнение трёх основных

условий:

1. Максимальное поглощение лучистой энергии при высоком коэффици­ енте генерации в полупроводнике подвижных носителей заряда.

2. Наличие внутреннего электрического поля, образованного р-п- переходом или МДП-структурой, которое эффективно разделяет носители за­ ряда.

3. Время жизни неравновесных носителей заряда в активной области структуры должно быть достаточно большим, чтобы от места генерации они могли достигнуть места разделения на барьере без значительных рекомбинаци-

онных потерь.

В 1990 году общий мировой объём электроэнергии, выработанной сол­нечными элементами, составил около 50 МВт, а в 1997 году - 125,9 МВт. При этом доля монокристаллических ФЭП изменилась от 16,4 до 61,9 МВт, поли­кристаллических - от 15,3 до 43,0 МВт, аморфных - от 14,1 до 15,0 МВт. Вклад монокристаллических ФЭП в общий выпуск в 1997 году оценивался в 49%, по­ликристаллических - 34%, аморфных - 12%, других типов ФЭП - 5%.

Сравнительная оценка технико-экономических характеристик кремние­вых ФЭП с прогнозом на будущее представлена в таблице 7.

Таблица 7.

Технико-экономические показатели кремниевых ФЭП

Материал ФЭП	1995 г. ; 2000 г.				2010 г. (прогноз)
	кпд, %	цена, | кпд, ДОЛЛ./КГ %		цена, ОЛЛ./КГ	Кпд, %	цена, ОЛЛ./К
1 Монокристаллические Поликристаллические Аморфные	15 14 7-9	2,40 2,25 2,00	18 16 10	2,00 1,95 1,20	22 20 1 14	1,50 1,55 0,75

93

В области тонкоплёночных ФЭП наибольшее развитие получили техно­логии аморфного кремния, СёБ/СсЛе и С18(Си!п8е₂).

Солнечная энергетическая установка (СЭУ), как правило, состоит из сле­дующих основных элементов (рис.7.2): солнечная батарея, инвертор, накопи­тель, система контроля.

Солнечные модули

Инвертор

^ Распределительный] | блок I

Нагрузка

Аккумуляторы

Сеть, 220 В, 50Гц

Рис7.2. Структурная схема солнечной энергетической установки

В СЭУ инвертор выполняет функции преобразования напряжения посто­янного тока от СБ и аккумулятора в стандартное напряжение переменного тока промышленной частоты (220 В, 50 Гц).

Развитию полупроводниковой солнечной энергетики в передовых инду­стриальных странах мира уделяется огромное внимание. Так, в США действует несколько программ, в том числе Ыайопа! Рпо1оуоиа1сз Рго§гат и Президент­ская программа "Один миллион крыш"; в ФРГ создан комплекс государствен­ных мер поддержки производителей и потребителей солнечной энергии; в Япо­нии разработана и осуществляется национальная программа Ме\у РЬо1оуо11аю Рго^ес1; в России созданы фотоэлектрические станции в Кисловодске и Геленд­жике и проч.

Принятые меры позволяют надеяться, что общий годовой объём энергии, выработанный СЭУ, возрастёт с 190 МВт в 2000 году до 1800 Мвт в 2010 году.

Таким образом, создание и развитие индустрии полупроводниковых пре­образователей солнечной энергии является одним из наиболее перспективных направлений выхода из мирового энергетического кризиса.

Однако полному решению этой проблемы препятствует ряд факторов:

1. Высокая материалоёмкость ФЭП и СБ и отсюда - высокая стоимость базовых кремниевых компонентов, что в конечном счёте приводит к высокой цене вырабатываемой электроэнергии (в сотни раз выше стоимости электро­энергии, вырабатываемой традиционными способами). Основное направление уменьшения стоимости электроэнергии - повышение кпд с 15 до 30% путём

94

использования новых принципов конструирования ФЭП (гетеропереходные композиции, многокаскадные СБ), использование новых и усовершенствован­ных материалов (пористый и аморфный кремний, полупроводниковые соедине­ния, текстурирование поверхности, нанесение светопоглощающих и просвет­ляющих покрытий, применение ленточных подложек и проч.),а также концен­трирование солнечных лучей с помощью специальных оптических систем и

вынос ФЭУ в космос.

2. Высокая энергоёмкость производства ФЭП и СБ. Так, сквозные затра­ ты электроэнергии при производстве кремниевых ФЭП достигают 40%. Не зря физики шутят:" Ни одна солнечная батарея ещё не возвратила энергии, затра­ ченной на её изготовление". Решение этой проблемы видится в развитии и вне­ дрении энергосберегающих высоких технологий.

3. Серьёзные технические и принципиальные проблемы возникают при решении вопросов монтажа крупногабаритных СЭУ, коммутации солнечных модулей, обеспечения их эксплуатационной стабильности, диагностики, об­ служивания и проч.

В большинстве упомянутых национальных программ высокоразвитых стран идеология преодоления этих трудностей формируется на основе создания комбинированных универсальных гелиевых установок, использующих как эф­фект прямого нагрева солнечным излучением водяных солнечных бойлеров, так и солнечные полупроводниковые элементы. Иногда в такие системы вво­дятся и термоэлектрические полупроводниковые источники тока.

Важно также отметить, что в этих странах действуют поддержанные за­конодательно эффективные компенсационные механизмы дотаций, ссуды, льготы, экологические премии и проч.

7.7. Силовые полупроводниковые приборы

Человечество потребляет 40 - 50% энергии в виде электричества. Достав­ка этой энергии от её источников к потребителям осуществляется не непосред­ственно, а с помощью различных преобразовательных приборов и устройств, к числу которых относятся выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, высоковольтные коммутаторы, регуляторы тока и напряжения и т.д. Широкая номенклатура таких устройств базируется на силовых электронных, преимуще­ственно полупроводниковых приборах (СПП).

К настоящему времени сложилась определённая классификация СПП:

1. Диоды (выпрямительные, высоковольтные, мощные, быстродействую­ щие переключательные и др.).

2. Тиристоры (низкочастотные высоковольтные, быстродействующие пе­ реключательные, запираемые, с электростатическим управлением, фототири­ сторы и др.).

1. Мощные биполярные транзисторы.

3. Мощные полевые транзисторы типа МО8РЕТ (МеЫ ОхЫ 8ет1сопёис1:ог Р1е1ё ЕЯес1 Тгапшгог).

95

5. Биполярные транзисторы с изолированным затвором типа ЮВТ (1ши1а1ес1 С-а1е В1ро1аг Тгапз181ог).

6. "Интеллектуальные" интегральные схемы и модули с силовыми эле­ ментами на базе МО8РЕТ и ЮВТ ("разумные" силовые интегральные схемы - РСИС).

Выпрямительные диоды имеют прямые токи 1 -г- 5 кА при обратных на­пряжениях 1- 2 кВ; в ряде конструкций пробивные напряжения могут достиг­нуть 10-15кВ.

Быстродействующие диоды созданы для обеспечения малых времен пе­реключения сигналов (не хуже 100 не). Максимальные значения напряжения при этом колеблются от 200 до 1200 В, время переключения - от 35 до 350 -500 не, соответственно.

В настоящее время выпускаются низкочастотные тиристоры с широким диапазоном значений предельных токов (от сотен до тысяч А) и повторяющих­ся напряжений (до 5000 В) при временах переключения 150 - 400 и более мкс.

Быстродействующие переключательные тиристоры обеспечивают вре­мя переключения 100-150 мкс при уровнях напряжения в десятки киловольт.

Один из наиболее перспективных приборов - запираемый тиристор. За­нимает промежуточное положение между обычными ключевыми тиристорами, отличающимися высокими переключаемыми мощностями и устойчивостью к перегрузкам, и новым классом силовых полупроводниковых приборов - мощ­ными транзисторами, приближаясь к последним по частотным характеристикам и способом управления (мощность - 300 кВт и выше, частота - до 1 кГц).

Первые силовые транзисторы были биполярного типа. Обычный для них уровень напряжений составляет 400 - 500 В при токах 40 -г 300 А, работают они в низкочастотном диапазоне (времена переключения не ниже 1^-2 мкс). Их главными недостатками является неспособность выдерживать большие токовые перегрузки и вероятность вторичного пробоя, поэтому выпуск мощных бипо­лярных транзисторов неуклонно сокращается, и их всё более и более вытесня­ют ЮВТ и МОЗРЕТ-транзисторы.

Силовая электроника, начиная с 80-х годов, переживает подлинную рево­люцию в связи с переходом на мощные полевые транзисторы МО8РЕТ-типа. Перспективность этих приборов обусловлена тем, что в них, в отличие от бипо­лярных транзисторов, работают носители заряда только одного знака, что по­вышает уровень быстродействия и делает их не подверженными вторичному пробою. Время переключения у них весьма мало (десятки наносекунд), благо­даря чему они завоёвывают диапазон достаточно высоких рабочих частот (100 - 200 кГц) при высоких значениях коммутируемой мощности (порядка 10 кВт). Справедливости ради заметим, что мощности свыше 10 кВт обеспечиваются биполярными транзисторами.

Первый биполярный транзистор нового поколения типа ЮВТ появился в 1983 году и с этого момента прочно утвердился на мировом рынке. Мощность, коммутируемая ЮВТ, быстро поднялась с уровня 5 кВт до 200 кВт.

Новое поколение МО8РЕТ- и ЮВТ-транзисторов уже почти не уступает биполярным транзисторам по величине коммутируемого тока и напряжения (1800 -ь 3500 В и 600 - 1200 А) и устойчиво работает на частоте порядка 50 кГц.

Наиболее перспективными направлениями развития элементной базы си­ловой электроники являются "интеллектуальные" интегральные схемы и моду­ли на базе транзисторов МО8РЕТ и ЮВТ-типа. В зарубежной прессе они чаще всего фигурирует как "разумные" силовые интегральные схемы (РСИС), хотя устоявшаяся терминология ещё отсутствует.

РСИС представляет собой заказную интегральную схему, в состав кото­рой наряду с традиционными элементами введены силовые транзисторы,

управляющие нагрузкой.

В настоящее время мировая промышленность освоила выпуск целой гам­мы мощных функциональных, в том числе и СВЧ-устройств на основе РСИС (усилителей, генераторов, смесителей, аттенюаторов, фазовращателей и т.д.) как в гибридном, так и в монолитном исполнении, работающих в диапазонах частот от 10 -*• 100 МГц до 60 -з- 80 ГГц. В США ежегодный объём продаж РСИС менялся следующим образом: 1986 г. - 8 млн долл., 1987 г. - 80 млн долл., 1992 г. - 1200 млн долл., в 2000 году предполагалось достичь уровня реализации РСИС до 2 млрд долл. В настоящее время около 20 фирм произво­дят более 50 типов РСИС. Эти схемы позволяют управлять электродвигателями и реле, обеспечивать ограничение по току, защиту от перегрева, выбирать оп­тимальные параметры работы энергопотребителя, осуществлять диагностику подсистем, управлять периферийным оборудованием ЭВМ, бытовыми электро­приборами и т.д. РСИС находят своё применение в качестве составных элемен­тов компактных и экономичных вторичных источников питания и пускорегу-лирующей аппаратуры осветительных приборов. В автоматической и особенно авиационной промышленности, благодаря применению РСИС, резко, почти вдвое, уменьшается масса проводов и кабелей, используемых для управления зажиганием, стартером, топливными, воздушными и жидкостными насосами, фарами, кондиционерами, гидравликой рулевого управления и проч.

Масса силовых кабелей авиалайнера "Боинг-747", составляющая 4500 кг, с применением РСИС может быть уменьшена до 2000 - 2500 кг.