Солнечные коллекторы-концентраторы

Главное отличие солнечных коллекторов-концентраторов от обычных солнечных коллекторов - наличие рефлекторов (отражателей, зеркал), которые фокусируют солнечный свет с большой площади на светопоглощающем элементе, тем самым увеличивая мощность потока лучистой солнечной энергии на единицу его площади. Вследствие этого, достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение. Это приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду, поэтому такой тип коллекторов наиболее пригоден для регионов с высокой инсоляцией - близко к экватору и в пустынных районах.

Для лучшей работы концентраторов используют следящие устройства, которые в течение дня поворачивают их "лицом" к Солнцу. Одноосные следящие устройства поворачиваются с востока на запад; двуосные - с востока на запад и с севера на юг (чтобы следить за движением Солнца по небу в течение года).

Концентраторы используются в основном в промышленных установках, так как они дороги, а следящие устройства нуждаются в постоянном уходе. В бытовых солнечных энергосистемах иногда используются параболические концентраторы (для горячего водоснабжения, отопления и очистки воды) и в основном одноосные следящие устройства - они дешевле и проще двуосных [11].

Производство электроэнергии

Прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию осуществляется фотоэлементами (ФЭП), совокупность которых образует фотоэлектрическую панель, либо модуль.

Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с p-n - переходом (Рис. 7), которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (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 нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Рис. 7. Фотоэлектрический преобразователь с p-n–переходом

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 [14].

По специфики изготовления различают монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные (аморфный кремний) солнечные фотоэлементы, модули которых характеризуются разными значениями КПД (Табл. 2).

Таблица 2